RU2651355C1 - Малогабаритная установка для отбора частиц продуктов сгорания твердого топлива - Google Patents
Малогабаритная установка для отбора частиц продуктов сгорания твердого топлива Download PDFInfo
- Publication number
- RU2651355C1 RU2651355C1 RU2016152528A RU2016152528A RU2651355C1 RU 2651355 C1 RU2651355 C1 RU 2651355C1 RU 2016152528 A RU2016152528 A RU 2016152528A RU 2016152528 A RU2016152528 A RU 2016152528A RU 2651355 C1 RU2651355 C1 RU 2651355C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solid fuel
- cooler
- sample
- particles
- combustion
- Prior art date
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 66
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 239000004449 solid propellant Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 25
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 21
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 11
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N Oxalic acid Chemical compound OC(=O)C(O)=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 7
- UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N Naphthalene Chemical compound C1=CC=CC2=CC=CC=C21 UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 6
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 5
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 5
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 3
- 235000006408 oxalic acid Nutrition 0.000 claims description 3
- 230000000740 bleeding effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 2
- 238000013022 venting Methods 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 27
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 9
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 19
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 8
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 7
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000003189 isokinetic effect Effects 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 description 2
- GDDNTTHUKVNJRA-UHFFFAOYSA-N 3-bromo-3,3-difluoroprop-1-ene Chemical compound FC(F)(Br)C=C GDDNTTHUKVNJRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 229920005549 butyl rubber Polymers 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 125000001495 ethyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/22—Fuels; Explosives
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
- G01N25/22—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures
- G01N25/28—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly
- G01N25/38—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly using the melting or combustion of a solid
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Sampling And Sample Adjustment (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано в машиностроительной, авиационной, ракетно-космической, нефтяной, химической и других отраслях для сбора конденсированных частиц из продуктов сгорания горючих материалов. Технический результат изобретения заключается в повышении точности воспроизведения в малогабаритной установке дисперсного и химического состава ансамбля частиц конденсированной фазы продуктов сгорания, соответствующего рабочим условиям горения топлива. Указанный технический результат достигается тем, что установка для отбора частиц продуктов сгорания твердого топлива содержит корпус с крышкой, вертикально расположенную внутри корпуса направляющую трубу с закрепленным в верхней ее части образцом твердого топлива. Направляющая труба в нижней части имеет отверстия для отвода газообразных продуктов сгорания. В направляющей трубе на расстоянии от образца твердого топлива, необходимом для обеспечения полноты сгорания твердого топлива, установлен охладитель. При этом длина охладителя выполнена достаточной для кристаллизации частиц продуктов сгорания твердого топлива. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение может быть использовано в машиностроительной, авиационной, ракетно-космической, нефтяной, химической и других отраслях для сбора конденсированных частиц из продуктов сгорания горючих материалов.
Известно устройство для отбора проб из дисперсного высокотемпературного двухфазного потока [1], состоящее из заборного насадка, средств фильтрации и запорной арматуры. Средства фильтрации устанавливаются за забортным насадком и представляют из себя последовательно размещенные циклон, барботажную камеру и беззольный фильтр. Проточный канал заборного насадка выполнен из сублимирующего в условиях исследуемой среды материала - полиметилметакрилата, обеспечивающего интенсивный тепломассообмен и кристаллизацию в потоке жидких частиц. Существенной частью устройства является тарировочная шайба, выбором диаметра которой обеспечивается изокинетический режим втекания потока в заборный насадок и, как следствие, представительность отбора. Авторами указывается, что данная установка может быть использована как для отбора частиц из камеры сгорания энергетической установки, так и из потока ее продуктов сгорания во внешнюю среду. Большинство энергетических установок характеризуются высокими сверхзвуковыми скоростями выхлопных струй, в связи с чем перед заборным насадком формируется ударная волна, приводящая к интенсивному дроблению жидких частиц и, следовательно, искажению их распределения по размерам.
В [2] представлено схожее с [1] устройство для отбора проб из дисперсного высокотемпературного двухфазного потока, но устройство [2] при этом дополнено модульной камерой сгорания с размещенным в ней зарядом исследуемого топлива. Требования изокинетичности для потока продуктов сгорания предопределяют условия равномерности натекающего на заборный насадок потока и, как следствие, размеры образца топлива, которые, по крайней мере, должны превышать габариты заборного насадка. Кроме того, существует ограничение на пропускную способность заборного насадка, обеспечивающую кристаллизацию всех жидких частиц потока в его канале. Таким образом, время работы установки должно быть достаточным для осаждения в средствах фильтрации необходимой для анализа массы частиц. На практике это означает, что масса заряда исследуемого топлива, удовлетворяющего габаритным и временным ограничениям, должна составлять несколько килограммов. Для лабораторных исследований работа с такими образцами затруднительна по следующим причинам: 1) взрывоопасность составов, риск испытаний которых состоит в разрушении материальной части; 2) невозможность обеспечить необходимую полноту сбора частиц конденсированной фазы при сжигании крупногабаритного образца; 3) высокая стоимость большого количества материала; 4) необходимость нейтрализации большого объема продуктов сгорания высоких классов опасности. К недостаткам данной установки также следует отнести большой объем методической работы, не отраженной в источнике, но необходимой для получения корректных результатов: выбор геометрических параметров камеры сгорания и заряда, обеспечивающих полноту сбора всех фракций, расчет проходных сечений тарировочной шайбы и канала заборного насадка, обеспечивающих необходимый тепломассообмен и гидравлическое сопротивление, значительную трудоемкость извлечения отобранной пробы из устройства, включая операции смыва частиц мелких фракций с внутренних поверхностей соединительных патрубков.
От недостатков присущих [2] свободно устройство, приведенное в [3]. Устройство состоит из бомбы постоянного давления с размещенным внутри вращающимся барабаном. Внутри барабана неподвижно относительно бомбы закрепляется малогабаритный образец топлива, размещенный в пластиковом контейнере, формирующем струю продуктов сгорания, направленную на внутреннюю стенку барабана. Для проведения отбора в барабан наливается некоторое количество спирта, достаточное для покрытия его боковой поверхности при вращении барабана со скоростью 1000 мин-1. Для предотвращения выплескивания спирта при вращении барабана на его срезе выполнена отбортовка. Далее бомба наддувается инертным газом до необходимого рабочего давления, и осуществляется дистанционный поджиг образца. Вследствие вращения барабана продукты сгорания образца попадают в новые области жидкости, не содержащие частиц. После окончания горения и выдержки, необходимой для оседания частиц всех фракций, наддув стравливается, жидкость с собранными частицами передается для подготовки к анализу. Масса образца топлива для единичного исследования составляет единицы граммов. Данное устройство имеет ряд недостатков. Во-первых, малое сечение канала, которое образуют образцы в контейнере, может приводить к взаимодействию агломератов, покидающих поверхность горения, и, как следствие, к искажению функции распределения частиц по размерам. Во-вторых, расстояние, на котором происходит отбор продуктов сгорания в слой спирта, ограничено габаритами барабана и составляет единицы сантиметров, что очень мало. Равновесный состав продуктов сгорания формируется на большем расстоянии и для веществ с температурой продуктов сгорания ниже 2000 К может превышать 10 сантиметров.
Наиболее близким устройством, принятым за прототип, является установка, описанная в [4]. Установка состоит из рабочей камеры объемом 12 л, заполняемой перед опытом азотом до рабочего давления. В верхней части камеры в направляющей трубе размещается образец топлива, вклеенный в пороховой стакан. Воспламенение образца производится с помощью безметального огнепровода, проходящего через отверстие в направляющей трубе, исключая попадание в пробу остатков запальной спирали. Состав баллиститного порохового стакана выбирается близким к исследуемому топливу по обеспеченности окисляющими элементами. Завеса продуктов сгорания стакана на некотором расстоянии изолирует продукты сгорания исследуемого топлива от холодного азота. На заданном расстоянии от образца располагается емкость с инертной жидкостью, например этиловым или изопропиловым спиртом. Все частицы размером более 10 мкм улавливаются жидкостью. После окончания горения установка выдерживается не менее 2 часов, в течение которых остальные частицы оседают на дно и стенки камеры. Далее стравливается газ наддува и смываются осевшие фракции.
Устройство [4] имеет ряд существенных недостатков. Продукты сгорания порохового стакана имеют химический состав, отличный от состава газовой фазы продуктов сгорания исследуемого топлива. Этот факт оказывает влияние как на характерную длину формирования равновесного состава продуктов сгорания, так и на фракционный состав исследуемой конденсированной фазы. Одновременно завеса из продуктов сгорания порохового стакана затягивает процесс кристаллизации частиц, вследствие чего отдельные, особенно крупные, фракции частиц на момент контакта со стенками и поверхностью жидкости остаются в жидком состоянии. При этом возможна деформация исходных круглых капель или их дробление. Дробление капель в данной установке недопустимо, так как это приведет к смещению измеренного спектра размеров в сторону более мелких капель, что дает искажение ожидаемых результатов относительно истинного распределения. Присутствие в пробе деформированных, сильно несферических капель также нежелательно, что связано с особенностями широко используемого лазерного дифрактометрического метода анализа фракционного состава пробы, и приводит к искажению результата измерений для данных фракций.
В принятом за прототип устройстве [4] теплоизоляция продуктов сгорания на начальном участке достигается с использованием газовой завесы продуктов сгорания вспомогательного заряда. Такой способ не обеспечивает стабильной теплоизоляции по всей периферии потока продуктов сгорания в силу того, что скорости основного потока и завесы отличаются, вызывая развитие неустойчивости границы раздела типа Кельвина-Гельмгольца. Вызванное неустойчивостью интенсивное конвективное перемешивание существенно усиливает тепломассообмен между газом наддува и основным потоком. Также при таком способе остается неопределенной длина участка эффективной теплоизоляции. Определенную роль в снижении эффективности завесы играет неравномерность горения порохового стаканчика, вызываемая, в частности, точечным характером его воспламенения.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности воспроизведения в малогабаритной установке дисперсного и химического состава ансамбля частиц конденсированной фазы продуктов сгорания, соответствующего рабочим условиям горения топлива.
Указанный технический результат достигается тем, что установка для отбора частиц продуктов сгорания твердого топлива содержит корпус с крышкой, вертикально расположенную внутри корпуса направляющую трубу с закрепленным в верхней ее части образцом твердого топлива. Направляющая труба в нижней части имеет отверстия для отвода газообразных продуктов сгорания. В направляющей трубе на расстоянии от образца твердого топлива, необходимом для обеспечения полноты сгорания твердого топлива, установлен охладитель. При этом длина охладителя выполнена достаточной для кристаллизации частиц продуктов сгорания твердого топлива.
Технический результат изобретения достигается за счет сведения к минимуму тепловых потерь из зоны горения топлива и исключения влияния на состав твердых частиц продуктов сгорания примесных компонентов, а также осуществления последующей интенсивной кристаллизации жидких частиц в продуктах сгорания, что обеспечивает получение в пробе недеформированных частиц.
В предлагаемом устройстве наличие жесткой границы раздела между потоком продуктов сгорания твердого топлива и газом наддува обеспечивает ламинарный режим течения на участке направляющей трубы L1 с малыми значениями параметра тепломассообмена.
Охладитель может быть выполнен в форме полого цилиндра.
Охладитель может быть выполнен из любых сублимирующихся, плавящихся веществ, например льда из дистиллированной воды, нафталина или щавелевой кислоты в твердом состоянии.
Охладитель может быть установлен на упоре, выполненном на внутренней стенке направляющей трубы.
Между стенкой направляющей трубы и охладителем может быть расположена теплоизоляция.
В верхней части направляющей трубы может быть установлен держатель для образца твердого топлива.
Между охладителем и держателем образца твердого топлива может быть установлена теплоизолирующая втулка, установленная с помощью центрирующей проставки.
На дне корпуса может быть размещена сборная емкость.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан общий вид малогабаритной установки для отбора частиц конденсированной фазы продуктов сгорания твердых топлив.
На фиг. 2 укрупненно показан держатель с твердым топливом и частично отображенной системой воспламенения (вид А).
На фиг. 3 показано распределение частиц конденсированной фазы, полученное в результате анализа пробы, подготовленной с использованием предлагаемой установки.
Установка, отображенная на фиг. 1, состоит из корпуса 1 и крышки 2, в корпус 1 встроен штуцер 3 для заполнения корпуса газом наддува и его последующего стравливания. Внутри корпуса 1 размещают сборную емкость 4, облегчающую сбор жидкости и конденсированных продуктов сгорания. В сборной емкости 4 вертикально размещают направляющую трубу 6 с отверстиями в нижней ее части для выхода газообразных продуктов сгорания твердого топлива. В направляющей трубе 6 располагают образец твердого топлива 7 и на расстоянии, достаточном для полноты сгорания твердого топлива, охладитель 9. Образец твердого топлива 7 (фиг. 2) в форме цилиндра размещают в выемке держателя 10. По всем поверхностям, кроме горящего торца, обращенного к охладителю 9, образец твердого топлива 7 покрыт бронирующим составом 11. Для поджига образца твердого топлива 7 используют угольное волокно 12, которое прикрепляют к поверхности горения с помощью небольшого количества клеящего горючего состава. Напряжение к концам угольного волокна 12 подводят двумя проводниками 13, введенными через герметичный ввод в крышке 2 корпуса 1. Сила тока для поджига 5…7 A. Для повышения теплоизоляционных свойств направляющей трубы 6 за поверхностью горения образца твердого топлива 7 устанавливают теплоизолирующую втулку 14 из низкотеплопроводного и малотеплоемкого материала, например керамики. Для центрирования теплоизолирующей втулки 14 относительно других частей используют проставку 15. За теплоизолирующей втулкой 14 устанавливают охладитель в виде полого цилиндра 9. В случае если направляющая труба 6 выполняется из достаточно теплопроводного материала, например стали, а температура плавления материала охладителя ниже температуры среды, то между охладителем 9 и направляющей трубой 6 размещают слой теплоизоляции 16 из пластика или резины. Охладитель 9 с теплоизоляцией 16 в направляющей трубе 6 устанавливают на упор 17.
Газ наддува для конкретного образца выбирается таким образом, чтобы его присутствие не влияло на химический состав конденсированной фазы, что может быть оценено из результатов расчета термодинамически равновесного состава соответствующей смеси газов. В большинстве случаев для этого пригоден азот или аргон. Давление наддува выбирается равным рабочему давлению, характерному для условий использования данного состава.
Длина участка направляющей трубы L1 подбирается из условий реализации на выходе из данного участка равновесной температуры продуктов сгорания и отсутствия в пробе непрореагировавших (активных) конденсированных компонентов. Под равновесной температурой продуктов сгорания понимается температура смеси газообразных и конденсированных компонентов, составляющих продукты сгорания, которые при данном давлении и тепловых потерях в заключающем их объеме уже не вступают между собой в химические превращения.
Длина охладителя Lохл должна обеспечивать полную кристаллизацию частиц всех фракций. Lохл может быть определена из сопряженного расчета течения в канале охладителя смеси газов, тепломассообмена на поверхности охладителя, прогрева охладителя и фазовых переходов на его поверхности. Данная величина может быть подобрана экспериментально из условия непревышения температуры смеси газов на выходе из канала охладителя температуры кристаллизации частиц с учетом запаса на неравновесность процесса.
Полая цилиндрическая форма выполнения охладителя оптимальна, так как обеспечивает равномерный всесторонний тепломассообмен с продуктами сгорания, а также отличается технологичностью изготовления.
Охладитель может быть выполнен из любых сублимирующихся, плавящихся веществ, например льда из дистиллированной воды, нафталина, щавелевой кислоты в твердом состоянии. Эти вещества в условиях тепловых потоков, реализующихся в установке, образуют достаточное количество газообразных продуктов, которые осуществляют охлаждение потока и характеризуются в данных условиях способностью к фазовому переходу без образования жидкой поверхностной пленки, т.е. к возгонке.
Технологически целесообразно изготовление (заморозка) охладителя отдельно от направляющей трубы. При этом для проведения опыта охладитель свободно вкладывается в направляющую трубу и прижимается собственным весом к упору, который закреплен на направляющей трубе. Такой способ размещения охладителя позволяет обеспечить его свободное тепловое расширение без растрескивания.
Для стабилизации температуры охладителя, особенно во время подготовки к опыту, охладитель может быть отделен от направляющей трубы слоем теплоизоляции. Одновременно теплоизоляция, подходящая по деформационным свойствам, может быть использована как форма для заморозки или формования охладителя.
В верхней части направляющей трубы может быть установлен держатель твердого топлива. Держатель твердого топлива предназначен для удержания твердого топлива и герметизации направляющей трубы в верхней части, тем самым препятствуя протоку газа наддува в зону горения образца.
Теплоизоляция продуктов сгорания на участке формирования их равновесного состава может быть дополнительно усилена посредством установки на данном участке теплоизоляционной втулки из материала с малыми теплопроводностью и теплоемкостью. В качестве такого материала может быть выбрана керамика. С точки зрения теплопрочности целесообразно использование тонкостенной втулки, центрируемой в направляющей трубе проставкой. Форма проставки должна обеспечивать минимальную площадь ее контакта с втулкой для снижения стока с втулки тепла.
Операции извлечения пробы из установки после опыта могут быть существенным образом облегчены при размещении внутри корпуса легкой сборной емкости. Так как данная емкость не предназначена для удержания перепада давления, она может быть выполнена тонкостенной, что облегчит ее кантование при сливе пробы, а также может быть выполнена из стекла, которое благодаря гладкой поверхности повысит качество смыва осевших на него частиц мелкой фракции.
Для обеспечения стабильного газоотвода из направляющей трубы, исключающего ее перемещение и опрокидывание, в направляющей трубе ниже уровня жидкости выполняются отверстия. Суммарная площадь отверстий должна превышать сечение направляющей трубы, для того чтобы избежать возникновения критического перепада давлений между полостью трубы и внешним объемом. Предпочтительно исполнение равномерно расположенных мелких отверстий, что обеспечит дробление проходящего газа на большее количество мелких пузырьков и увеличит количество частиц мелкой фракции, связанных жидкостью. В конечном итоге это снижает потери частиц при их смыве со стенок корпуса.
Установка работает следующим образом. Перед опытом на дно корпуса 1 или в сборную емкость 4 наливают некоторое количество инертной жидкости, например раствора этилового спирта 5. После наддува корпуса 1 через штуцер 3 до рабочего давления подается напряжение на угольное волокно 12 поджига. Данное волокно сгорает без образования твердых окислов, которые при анализе полученной пробы искажали бы результат. Перегорая, угольное волокно 12 воспламеняет горящий клеящий состав и далее образец твердого топлива 7. Образец твердого топлива 7 устанавливают в направляющую трубу герметично для исключения протока в участок направляющей трубы L1 8 газа наддува. Продукты сгорания клеящего состава и поверхностных слоев образца твердого топлива 7 вытесняют из направляющей трубы 6 газ наддува и прогревают стенку участка направляющей трубы L1 8. Продукты сгорания образца твердого топлива 7 на участке направляющей трубы L1 8 достигают термодинамического равновесия в условиях отсутствия примесей посторонних газов и минимальных тепловых потерь. Далее сформировавшийся дисперсный состав жидких частиц попадает в охладитель 9, где происходит активный теплоотвод, приводящий к кристаллизации частиц продуктов сгорания. После выхода из охладителя 9 частицы попадают в инертную жидкость 5, а газовая фаза, проходя через отверстия в нижней части направляющей трубы 6, выходит в периферийную часть емкости. Несвязанные жидкостью частицы мелких фракций оседают в сборную емкость во время выдержки установки после завершения горения в течение не менее 2 часов. Далее осуществляется стравливание наддува, смыв со стенок сборной емкости и извлечение пробы продуктов сгорания.
Преимущество данного изобретения состоит в том, что устройство содержит участок направляющей трубы L1, примыкающий к образцу твердого топлива, в котором завершаются физико-химические превращения при горении топлива и формируется спектр размеров конденсированных частиц, и участок охладителя, в котором происходит интенсивный тепломассообмен, обеспечивающий кристаллизацию жидких частиц.
Предлагаемое устройство реализовано в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша». Устройство используется для отбора конденсированной фазы продуктов сгорания твердых топлив различных классов. В зависимости от цели эксперимента из соображений химической совместимости под конкретный класс топлив подбирается газ наддува, инертная жидкость. Подбираются также длины участка направляющей трубы L1 и охлаждающего участков. Более высокоэнергетичным топливам соответствует меньшая длина участка направляющей трубы L1 и большая длина охлаждающего. Относительно низкотемпературным топливам в силу значительной неравновесности состава продуктов сгорания требуется большая длина участка направляющей трубы L1.
В качестве примера на фиг. 3 приведено распределение частиц конденсированной фазы, полученное в результате анализа пробы, подготовленной с использованием предлагаемой установки. Так, например, для получения пробы частиц конденсированной фазы продуктов сгорания классической твердотопливной композиции на основе бутилкаучука, перхлората аммония и алюминия в качестве газа наддува использовался азот, в качестве инертной жидкости - водный раствор этилового спирта. Охладитель выполнялся из льда дистиллированной воды. Длины участка направляющей трубы L1 и охлаждающего участков составляли соответственно 50 мм и 300 мм. Распределение частиц конденсированной фазы хорошо согласуется с многочисленными результатами определений спектра частиц для данной топливной композиции, полученными разными группами авторов за четыре десятилетия ее исследования. Широкие возможности адаптации установки позволяют использовать ее для отбора конденсированной фазы любого химического состава с диапазоном размеров частиц в одной пробе от 0,01…1000 мкм.
Источники информации
1. Кочетков Ю.М., Волков Н.Н., Альхимович С.Н., Бондаренко Н.Г. Устройство для отбора проб из дисперсного высокотемпературного двухфазного потока. Патент RU 2262111 С1 от 10.10.2005.
2. Губертов A.M., Миронов В.В., Борисов Д.М. и др. Газодинамические и теплофизические процессы в ракетных двигателях твердого топлива. Под ред. А.С. Коротеева. - М.: Машиностроение, 2004.
3. Похил П.Ф., Беляев А.Ф., Фролов Ю.В., Логачев B.C., Коротков А.И. Горение порошкообразных металлов в активных средах. - М.: Наука, 1972.
4. Милехин Ю.М., Ключников А.Н., Бурский Г.В., Лавров Г.С. Энергетика ракетных двигателей на твердом топливе. - М.: Наука, 2013.
Claims (9)
1. Установка для отбора частиц продуктов сгорания твердого топлива, содержащая корпус с крышкой и штуцером для заполнения корпуса газом и последующего его стравливания, направляющую трубу, расположенную вертикально внутри корпуса с закрепленным в верхней ее части образцом твердого топлива с прикрепленным к нему средством для поджига образца, сгорающим без образования твердых окислов, инертную жидкость на дне корпуса или сборной емкости, отличающаяся тем, что в направляющей трубе, снабженной в нижней части отверстиями для отвода газообразных продуктов сгорания, установлен охладитель на расстоянии от образца твердого топлива, необходимом для обеспечения полноты сгорания твердого топлива, при этом длина охладителя выполнена достаточной для кристаллизации частиц продуктов сгорания твердого топлива.
2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что охладитель выполнен в виде полого цилиндра.
3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что охладитель выполнен из любых сублимирующихся, плавящихся веществ, например льда из дистиллированной воды, нафталина или щавелевой кислоты в твердом состоянии.
4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что охладитель установлен на упоре, выполненном на внутренней стенке направляющей трубы.
5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что между стенкой направляющей трубы и охладителем расположена теплоизоляция.
6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в верхней части направляющей трубы установлен держатель для образца твердого топлива.
7. Установка по п. 6, отличающаяся тем, что между охладителем и держателем образца твердого топлива расположена теплоизолирующая втулка, установленная с помощью центрирующей проставки.
8. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что средством для поджига образца, сгорающим без образования твердых окислов, является угольное волокно с подведенными к нему проводниками.
9. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что суммарная площадь отверстий для отвода газообразных продуктов сгорания должна превышать сечение направляющей трубы.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016152528A RU2651355C1 (ru) | 2016-12-30 | 2016-12-30 | Малогабаритная установка для отбора частиц продуктов сгорания твердого топлива |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016152528A RU2651355C1 (ru) | 2016-12-30 | 2016-12-30 | Малогабаритная установка для отбора частиц продуктов сгорания твердого топлива |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2651355C1 true RU2651355C1 (ru) | 2018-04-19 |
Family
ID=61976845
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016152528A RU2651355C1 (ru) | 2016-12-30 | 2016-12-30 | Малогабаритная установка для отбора частиц продуктов сгорания твердого топлива |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2651355C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113532958A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-10-22 | 北京理工大学 | 基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU245449A1 (ru) * | Г. М. Карагодин | УСТРОЙСТВО дл ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОГО СОСТАВА | ||
| SU1087749A1 (ru) * | 1979-07-11 | 1984-04-23 | Предприятие П/Я Р-6462 | Газогенератор |
| RU2023956C1 (ru) * | 1992-07-10 | 1994-11-30 | Преприятие "Источник" | Газогенератор |
| RU2239819C2 (ru) * | 2002-12-10 | 2004-11-10 | Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения" | Способ и стенд для определения оптической плотности продуктов сгорания твердого ракетного топлива |
| RU2421697C2 (ru) * | 2009-07-22 | 2011-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тюменский государственный университет" | Устройство камеры для сжигания твердого топлива в калориметре при стандартных условиях |
| RU2527980C1 (ru) * | 2013-03-11 | 2014-09-10 | Людмила Николаевна Третьяк | Способ отбора проб высокотемпературных газов и устройство для его реализации |
-
2016
- 2016-12-30 RU RU2016152528A patent/RU2651355C1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU245449A1 (ru) * | Г. М. Карагодин | УСТРОЙСТВО дл ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОГО СОСТАВА | ||
| SU1087749A1 (ru) * | 1979-07-11 | 1984-04-23 | Предприятие П/Я Р-6462 | Газогенератор |
| RU2023956C1 (ru) * | 1992-07-10 | 1994-11-30 | Преприятие "Источник" | Газогенератор |
| RU2239819C2 (ru) * | 2002-12-10 | 2004-11-10 | Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения" | Способ и стенд для определения оптической плотности продуктов сгорания твердого ракетного топлива |
| RU2421697C2 (ru) * | 2009-07-22 | 2011-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тюменский государственный университет" | Устройство камеры для сжигания твердого топлива в калориметре при стандартных условиях |
| RU2527980C1 (ru) * | 2013-03-11 | 2014-09-10 | Людмила Николаевна Третьяк | Способ отбора проб высокотемпературных газов и устройство для его реализации |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113532958A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-10-22 | 北京理工大学 | 基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置 |
| CN113532958B (zh) * | 2021-07-20 | 2022-06-17 | 北京理工大学 | 基于等速采样的复合推进剂燃烧产物凝聚相颗粒收集装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Loehle et al. | Experimental simulation of meteorite ablation during earth entry using a plasma wind tunnel | |
| CA2792056C (en) | Sample chamber for laser ablation analysis of fluid inclusions and analyzing device thereof | |
| Dobbins et al. | Carbonization rate of soot precursor particles | |
| RU2651355C1 (ru) | Малогабаритная установка для отбора частиц продуктов сгорания твердого топлива | |
| Wu et al. | Expansion and mixing processes of underexpanded supercritical fuel jets injected into superheated conditions | |
| Eremin et al. | The change of soot refractive index function along the height of premixed ethylene/air flame and its correlation with soot structure | |
| Uhl et al. | Pyrolysis simulation in an icp torch facility | |
| RU2631614C1 (ru) | Стенд для изучения характеристик горения и сжигания витающей капли органоводоугольного топлива | |
| Fox | On the structure of jet plumes | |
| Kozlov et al. | Radiation intensity measurement in simulated Martian atmospheres on the double diaphragm shock tube | |
| Rojas-Alva et al. | A historical overview of experimental solid combustion research in microgravity | |
| Chen | Space materials science | |
| Lazic et al. | Laser‐Induced Breakdown Spectroscopy Applied on Liquid Films: Effects of the Sample Thickness and the Laser Energy on the Signal Intensity and Stability | |
| Clausen et al. | Effects of additives on the microexplosion of carbon slurry droplets | |
| Piskunov et al. | Growth of the surface area of separated liquid fragments during high-temperature fragmentation of an inhomogeneous liquid drop | |
| Noel et al. | A proposed method for remote thermometry in turbine engines | |
| Cheese et al. | Development of a dual windowed test vehicle for live streaming of cook-off in energetic materials | |
| GB2583115A (en) | A real-time vapour extracting device | |
| Ciezki et al. | Investigation of gaseous and solid reaction products in a step combustor using a water-cooled sampling probe | |
| Shaw et al. | Spacelab experiments on combustion of heptane/hexadecane droplets | |
| CN115112652A (zh) | 一种推进剂高温高压凝聚相燃烧产物全组分收集装置 | |
| Reis | Study of the Boiling Phenomenon Using the Droplet Evaporation Method | |
| Bassett | Shock initiation of explosives under the microscope | |
| Founti et al. | Experimental determination of fuel evaporation rates using IR-thermography | |
| Lu | MEASUREMENT OF LAMINAR BURNING SPEED OF ISOBUTANE AND CARBON DIOXIDE MIXTURE |