Пиротехническое нагревательное устройство

 

Использование: относится к устройствам для разогрева различных веществ. Сущность изобретения: пиротехническое нагревательное устройство состоит из корпуса 1 с отверстиями, в корпусе 1 расположена шашка пиротехнического состава 3 с воспламенителем 2 и прокладка, выполненная в виде секторных элементов 4, отделяющих шашку от стенок корпуса, причем для обеспечения разогрева до температуры существования самоподдерживающегося горения заряда, изготовленного из перемещенных компонентов в соотношении больше верхнего концентрационного предела горения при температуре применения устройства, секторные элементы изготовлены из пиротехнической малогазовой смеси с самораспространяющимся горением толщиной и шириной больше критических и удовлетворяющих соотношению приведенному в описании и формуле изобретения. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для разогрева различных веществ.

Известно пиротехническое нагревательное устройство, содержащее корпус с отверстиями, в котором расположена шашка пиротехнического состава с воспламенителем, включающего горючее и окислитель, а между корпусом и шашкой установлена прокладка.

Недостатком таких нагревательных устройств является то, что горение их зарядов приводит к локальному перегреву массы нагревательных веществ (при подогреве пищи, она пригорает; нагреваемые вещества разлагаются и т. д. ). Это обусловлено тем, что тепловыделение осуществляется практически во фронте горения. Во фронте горения достигается высокая температура, которая в течение времени уменьшается и определяется интенсивностью теплоотвода к корпусу.

Эта высокая температура и вызывает перегрев нагреваемых веществ, особенно, когда вещества принудительно не перемешивают. Введение инертных теплоизолирующих прокладок между корпусом и зарядом не приведет к увеличению времени тепловыделения, а только снизит общее тепловыделение с объема устройства.

Целью изобретения является повышение эффективности действия.

Эта цель достигается за счет того, что в пиротехническом нагревательном устройстве, содержащем корпус с отверстиями, в котором расположена шашка пиротехнического состава с воспламенителем, включающего горючее и окислитель, а между корпусом и шашкой пиротехнического состава установлена прокладка, горючее пиротехнического состава взято в избытке, а прокладка выполнена в виде расположенных равномерно друг от друга секторных элементов, изготовленных из пиротехнической малогазовой смеси с самораспространяющимся горением толщиной и шириной больше критических параметров и удовлетворяющих соотношению r>ah>r, где h, a - толщина и ширина прокладок; r - радиус шашки пиротехнического состава; - его температуропроводность, скорость горения при разогреве; Т_г - температура горения прокладок; Т_пл, Т_в - температура плавления шашки, температура воспламенения шашки при разогреве до температуры существования самораспространяющегося горения со скоростью V_о; Т_о - начальная температура устройства; а температуропроводность прокладок меньше температуропроводности шашки.

Выполнение прокладки из малогазовой смеси с самораспространяющимся горением обеспечивает нагрев шашки до температуры, при которой соотношение компонентов шашки находится в концентрационных пределах горения, а ширина и толщина прокладок больше критических ширины и толщины и удовлетворяют соотношению , а температуропроводность прокладок меньше , является элементом, обладающим существенным отличием, т. к. во взаимосвязи с известными элементами он образует новую совокупность признаков, обеспечивающих выполнение устройства новой функции: снижение максимальной температуры разогрева корпуса обеспечивается за счет возможности использования шашки с соотношением компонентов больше верхнего концентрационного предела горения, повышение длительности тепловыделения обеспечивается за счет возможности горения шашки с соотношением компонентов больше верхнего концентрационного предела горения и длительного тепла выделения за счет подвода внешней атмосферы к реакционноспособным с ней конденсированным продуктом сгорания шашки, а образование высокотемпературных конденсированных продуктов с низким давлением их насыщенных паров приводит к существованию только самоподдерживающегося потока внешней атмосферы к шашке и отсутствию выноса газообразных продуктов неполного сгорания.

На фиг. 1 изображено нагревательное устройство, продольное сечение; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Нагревательное устройство содержит корпус 1, воспламенитель 2, шашку 3, секторные элементы 4, вышибную диаграмму 5, каналы 6.

В корпусе 1 с воспламенителем 2 расположена шашка 3, которая отделена от корпуса секторными элементами 4, между которыми образованы каналы 6 для воздуха.

Шашку 3 изготавливали следующим образом: выбирались компоненты, которые после перемешивания и сгорания понижали бы давление воздуха в корпусе меньше атмосферного, т. е. образовывались продукты сгорания с низким давлением насыщенных паров. Для этой цели был проведен анализ существующих исследований и установлено, что металлы - цирконий, титан, магний и некоторые сплавы магния с алюминием вступают в реакцию не только с воздухом, но и с углекислым газом.

Известно, например, что цирконий и его окислы имеют температуру кипения при атмосферном давлении более 3000 К, т. е. цирконий может быть одним из основных горючих шашки. Для экспериментального подтверждения возможности использования циркония в заряде использовали известную безгазовую смесь циркония и хромата бария, с содержанием первого 60-65% , что меньше 80% - предела устойчивого горения при нормальной температуре. Смесь 20 г сжигали в бомбе постоянного объема 300 см³, снабженной мановакууметром. После сжигания и охлаждения продуктов сгорания давление воздуха составило 0,6-0,8 атмосферного давления.

Однако, температура горения вышеуказанной смеси составляла 2000 К.

Для ее снижения и увеличения длительности реагирования шашки с атмосферой была изготовлена вышеуказанная шашка на 90% циркония, остальное - хромат бария. Для обеспечения коэффициента уплотнения 0,6-0,7 в смесь вводили 5% (сверх 100% ) высокомолекулярного наполнителя, что позволило обеспечить незамкнутость пор по всей шашке. Шашку изготавливали диаметром 8 мм, длиной 40 мм.

В соответствии с тем, что повышение температуры переводит малогазовый состав в область существования горения, для подогрева шашки использовали три прокладки из стехиометрической смеси циркония хромата бария с вышеуказанным наполнителем размерами 5 х 45 х 1 мм. Этим обеспечивались каналы между прокладками для доступа воздуха к шашке и нагрев шашки. Кроме того, температуропроводность прокладок меньше температуропроводности шашки.

Толщина прокладок больше 0,3 мм - критической толщины горения, ширина больше 1 мм - критической ширины горения. Этим обеспечивается существование горения прокладок между корпусом и шашкой.

Нагрев шашки не должен осуществляться выше температуры плавления. Поскольку произведение плотности на теплоемкость у всех веществ примерно одинаково, условие разогрева меньше температуры плавления можно записать в виде ha<r.

Для осуществления горения смесей, с содержанием компонентов больше верхнего концентрационного предела, необходимо повысить начальную температуру. Обычно это определяется экспериментально, но в первом приближении можно оценить повышение температуры аналогично I₂= I1+ , где I₂, I₁ - концентрационные пределы при температурах Т₂, Т₀соответственно, Т_г - температура горения вблизи I₁.

На пределе горения вышеуказанная смесь с 80% содержанием циркония имеет Т_г 1500 К.

Принимая I₁ = 80; I₂ = 90% используемое соотношение компонентов в шашке получим, что необходимо повышение температуры на 150 К. Прокладки должны обеспечить нагрев прилегающей части шашки толщиной больше критической до этой температуры. Это условие необходимое.

Прокладки должны создавать в подогретой шашке зону зажигания, которую в первом приближении можно оценить по запасу тепла в прогретом слое, т. е. q_в (Т_в-Т₂)С_{о o}r²/V_o.

этот запас должен обеспечить прокладки, контактирующие с торцем шашки, т. е.

ahrc(_г-T₀)>ahrc(T_в-T₀)+rC₀₀(T_в-T₀) или ah>r² .

Поскольку для малогазовых систем T_в близка к T_г, то величина запаса тепла в прогретом слое превышает количество тепла, необходимое для увеличения температуры шашки с T_о до T₂. Поэтому ширина и толщина прокладок должна удовлетворять соотношению
r>ah>r.

Для тугоплавких компонентов левая часть последнего соотношения очень велика (при Т_пл > Т_г следует принять равной бесконечности).

Оценка для примененной шашки при Т_пл 1000 К дает величину левого соотношения 35 мм².

Правая часть /V_о 1 мм, T_в 800 К равна 5 мм², т. е. 35 мм² > 15 мм² > 5 мм²
Таким образом, выбранные параметры пиротехнического нагревательного устройства обеспечивают его следующее функционирование.

При срабатывании воспламенителя 2 зажигаются кромки прокладок 4, обращенные к воспламенителю. Горение распространяется по прокладкам между корпусом и шашкой. При достижении определенного давления газообразных продуктов сгорания воспламенителя и (или) прокладок вскрывается диафрагма 5 (служащая для исключения воздействия на пиротехнические смеси пыли, влаги и т. д. ), выпуская газообразные продукты в атмосферу. При горении прокладок прогревается корпус 1 и шашка 2. Корпус не перегревается, т. к. прокладки контактируют только с частью поверхности корпуса, и тепловой поток от продуктов сгорания прокладок "растекается" по корпусу.

Температуропроводность прокладок меньше температуропроводности шашки и при продвижении фронта горения по прокладкам температура прогрева шашки увеличивается и достигает максимального значения у торца шашки, облегчая его воспламенение при сгорании прокладок, контактирующих с торцом.

Сгорает шашка 2, и в корпусе 1 образуется пониженное давление, поэтому воздух через отверстия 5 к высокотемпературным конденсированным продуктам сгорания шашки, реагируя с недогоревшим активным горючим по всему объему шашки, т. к. поры незамкнуты.

Этим обеспечивается длительное тепловыделение. Тепловые потеpи из шашки осуществляются через прокладки, которые при длительном тепловыделении выполняют роль теплоизоляторов и корпус не перегревается.

Применение данного устройства, с вышеуказанными прокладками и шашкой в металлической трубке диаметром 10 мм, позволило снизить температуру трубок с заданным теплоотводом с 600^оС до 400^оС, увеличив приблизительно в 4 раза интервал времени, в течение которого температура трубок не меньше 300^оС. (56) Шидловский А. А. Пиротехника в народном хозяйстве. , М. : Машиностроение. , 1978 г. , стр. 178-179.

Формула изобретения

ПИРОТЕХНИЧЕСКОЕ НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее корпус с отверстиями, в котором расположена шашка пиротехнического состава с воспламенителем, включающего горючее и окислитель, при этом между корпусом и шашкой пиротехнического состава установлена прокладка, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности действия, в нем горючее пиротехнического состава взято в избытке, а прокладка выполнена в виде расположенных равномерно друг от друга секторных элементов, изготовленных из пиротехнической малогазовой смеси с самораспространяющимся горением толщиной и шириной больше критических и удовлетворяющих соотношению
r>ah>r,
где h, a - толщина и ширина прокладок;
r - радиус шашки пиротехнического состава;
, U₀ - температуропроводность и скорость горения шашки при разогреве;
T_г - температура горения прокладок;
T_пл, T_в - температура плавления и температура воспламенения шашки при подогреве до температуры, при которой существует самораспространяющееся горение со скоростью u₀;
T₀ - начальная температура.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2