Экспериментальное исследование твёрдых хладагентов
Бесплатный доступ
Получены экспериментальные данные по скорости разложения некоторых твёрдых реактивов при различных температурах, которые могут использоваться при расчёте теплофизических и газодинамических процессов в низкотемпературных газогенераторах.
Короткий адрес: https://sciup.org/147158540
IDR: 147158540
Текст научной статьи Экспериментальное исследование твёрдых хладагентов
В твердотопливных низкотемпературных газогенераторах (НТГГ) с камерой охлаждения применяется ряд составов, таких как углекислый аммоний (NH4)2 СО3, кислый углекислый аммоний NH4HCO3, оксалат аммония (NH4)2C2O4, оксалат аммония водный (NH4)2 С2О4 • Н2О [1,2]. При нагреве данные составы разлагаются с поглощением теплоты. Для правильного расчёта теплофизических и газодинамических процессов в НТГТ необходимо знать ряд теплофизических характеристик, в том числе и скорость разложения препаратов в зависимости от температуры. В литературных источниках данные сведения отсутствуют. Определить скорость разложения можно только экспериментально. Эксперимент проводился на установке, схема которой приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема установки: 1 - гранула; 2 - пластина; 3 - термопара; 4 - амперметр; 5 - трансформатор; 6 -вольтметр
Гранула хладагента 1 помещалась на поверхность пластины 2. Пластина обогревалась электрическим током от трансформатора 5. Температура поверхности пластины под гранулой измерялась термопарой 3. Параметры греющего тока измерялись амперметром 4 и вольтметром 6. Продукты разложения отводились от поверхности контакта гранулы. Гранула хладагента представляет собой цилиндр диаметром 8 мм и массой 0,1...О,б КГ3 кг, полученный прессованием из порошка под давлением 150 МПа.
В ходе эксперимента регистрировались температура поверхности пластины под гранулой и время её разложения. Наблюдения за характером разложения гранулы показывают, что в течение примерно 94...96 % времени процесса разложение происходит с торца гранулы. При этом меняется высота гранулы, но диаметр остаётся практически неизменным. С боковой поверхности разложение происходит в конечной стадии процесса. Температура поверхности гранулы в течение 2...4 секунд от начала процесса снижается с первоначальной в стационарном режиме при определённом значении мощности обогрева на 40.. .70 градусов и остаётся практически неизменной в течение примерно 94...96 % времени разложения. Таким образом, можно считать, что образование газообразных продуктов разложения происходит только на обогреваемом торце гранулы.
В табл. 1 приведены экспериментальные данные по разложению углекислого аммония.
Таблица 1
Экспериментальные данные по разложению углекислого аммония
|
№ |
/л-103, кг |
Гп,к |
т, с |
Ат/Ат-106, кг/с |
jm, кг/м2с |
|
|
1 |
0,36 |
418,0 |
784,7 |
0,4588 |
0,0087 |
-4,744 |
|
2 |
0,445 |
462,0 |
436,8 |
1,019 |
0,0193 |
-4,221 |
|
3 |
0,21 |
498,0 |
236,2 |
0,889 |
0,0168 |
-4,057 |
|
4 |
0,355 |
480,0 |
387,6 |
0,9160 |
0,0173 |
-4,086 |
|
5 |
0,42 |
513,0 |
397,9 |
1,055 |
0,0200 |
-3,912 |
|
6 |
0,24 |
513,0 |
242,6 |
0,9892 |
0,0187 |
-3,979 |
|
7 |
0,195 |
547,0 |
169,2 |
1,025 |
0,0218 |
-3,826 |
|
8 |
0,36 |
576,0 |
244,4 |
1,3730 |
0,0279 |
-3,579 |
|
9 |
0,21 |
588,0 |
149,4 |
1,4056 |
0,0266 |
-3,627 |
|
10 |
0,26 |
595,0 |
149,1 |
1,7438 |
0,0330 |
-3,411 |
|
11 |
0,26 |
595,0 |
156,6 |
1,6603 |
0,0314 |
-3,461 |
|
12 |
0,45 |
598,0 |
246,8 |
1,8233 |
0,0345 |
-3,367 |
|
13 |
0,20 |
600,0 |
132,8 |
1,5060 |
0,0285 |
-3,558 |
|
14 |
0,23 |
603,0 |
146,5 |
1,5700 |
0,0297 |
-3,558 |
|
15 |
0,405 |
608,0 |
254,5 |
1,5912 |
0,0301 |
-3,503 |
|
16 |
0,34 |
613,0 |
183,9 |
1,8488 |
0,0350 |
-3,352 |
|
17 |
0,0 |
648,0 |
83,9 |
1,7878 |
0,0339 |
-3,384 |
|
18 |
0,30 |
705,0 |
117,3 |
2,5575 |
0,0484 |
-3,028 |
|
19 |
0,24 |
715,0 |
97,7 |
2,4565 |
0,0465 |
-3,068 |
|
20 |
0,31 |
717,0 |
114,8 |
2,7003 |
0,0511 |
-2,974 |
|
21 |
0,32 |
748,0 |
109,9 |
2,9117 |
0,0551 |
-2,898 |
|
22 |
0,29 |
778,0 |
90,7 |
3,1974 |
0,0605 |
-2,805 |
|
23 |
0,17 |
781,0 |
50,8 |
3,3465 |
0,0634 |
-2,758 |
|
24 |
0,45 |
823,0 |
110,6 |
4,0706 |
0,0771 |
-2,562 |
|
25 |
0,31 |
843,0 |
86,8 |
3,5714 |
0,0676 |
-2,694 |
|
26 |
0,33 |
843,0 |
80,7 |
4,0892 |
0,0774 |
-2,559 |
|
27 |
0,30 |
853,0 |
71,9 |
4,1725 |
0,0790 |
-2,538 |
|
28 |
0,325 |
860,0 |
76,1 |
4,2707 |
0,0809 |
-2,526 |
|
29 |
0,50 |
863,0 |
103,3 |
4,8403 |
0,0917 |
-2,389 |
|
30 |
0,55 |
863,0 |
124,6 |
4,4138 |
0,0836 |
-2,481 |
|
31 |
0,60 |
917,0 |
106,9 |
5,6132 |
0,1063 |
-2,241 |
Здесь т - начальная масса гранулы; Тп - температура поверхности разложения гранулы; т -время разложения; jm - поток массы продуктов разложения.
Ат _т . _ Ат
Ат т ’ ^т SAt’
S - площадь поверхности торца гранулы.
Значения потока массы в аррениусовских координатах In jm -103/т аппроксимируются пря мой линией (рис. 2), следовательно, поток массы при разложении углекислого аммония в зависи'
мости от температуры можно представить зависимостью вида
Jm
Е„
= А ■ ехр--,
где А = 0,6027 ; Ео = 43 845 --энергия активации; Ro = 8,314 Дж/моль/К - универсаль- м2с моль ная газовая постоянная.
1000/Т
Рис. 2. Экспериментальные значения потока массы в аррениусовских координатах
В табл. 2 приведены экспериментальные данные по разложению кислого углекислого аммония.
Таблица 2
Экспериментальные данные по разложению кислого углекислого аммония
|
№ |
т-103,кг |
7» К |
т, с |
Ати/Ат-106, кг/с |
jm, кг/м2с |
|
1 |
0,1128 |
378,0 |
1499,0 |
0,07525 |
0,0014 |
|
2 |
0,4198 |
456,0 |
503,6 |
0,8335 |
0,0158 |
|
3 |
0,1641 |
463,0 |
213,9 |
0,7671 |
0,0145 |
|
4 |
0,4460 |
540,0 |
225,5 |
1,9777 |
0,0374 |
|
5 |
0,2588 |
543,0 |
143,1 |
1,8081 |
0,0342 |
|
6 |
0,5362 |
681,0 |
151,9 |
3,5307 |
0,0669 |
|
7 |
0,3453 |
696,0 |
109,7 |
3,1482 |
0,0669 |
|
8 |
0,4179 |
701,0 |
135,3 |
3,0891 |
0,0585 |
|
9 |
0,4186 |
779,0 |
98,0 |
4,2697 |
0,0808 |
|
10 |
0,4567 |
784,0 |
97,6 |
4,6812 |
0,0886 |
|
11 |
0,5292 |
858,0 |
95,2 |
5,5565 |
0,1052 |
|
12 |
0,4073 |
870,0 |
82,1 |
4,9592 |
0,0939 |
|
13 |
0,4684 |
930,0 |
75,3 |
6,2205 |
0,1178 |
|
14 |
0,4994 |
933,0 |
77,0 |
6,4882 |
0,1229 |
|
15 |
0,4564 |
941,0 |
75,3 |
6,0571 |
0,1147 |
|
16 |
0,5337 |
978,0 |
78,0 |
6,8432 |
0,1296 |
|
17 |
0,4855 |
979,0 |
73,9 |
6,5715 |
0,1244 |
|
18 |
0,3788 |
1022,0 |
54,8 |
6,9149 |
0,1309 |
|
19 |
0,5008 |
1029,0 |
64,7 |
7,7368 |
0,1465 |
|
20 |
0,5045 |
1168,0 |
54,0 |
9,3495 |
0,1770 |
|
21 |
0,4696 |
1173,0 |
51,2 |
9,1737 |
0,1737 |
|
22 |
0,4093 |
1233,0 |
41,6 |
9,8413 |
0,1864 |
|
23 |
0,4265 |
1234,0 |
40,7 |
10,4740 |
0,1983 |
Экспериментальные значения потока массы описываются линейной функцией вида
Т
Зт=А-^В, (2)
где А = 0,0608; В = -0,07942; То = 298,0.
На рис. 3 представлены экспериментальные и рассчитанные по зависимости (2) значения потока массы при разложении кислого углекислого аммония
В табл. 3 приведены экспериментальные данные по разложению оксалата аммония водного.
Температура, К
Рис. 3. Зависимость потока массы от температуры при разложении кислого углекислого аммония
Таблица 3
Экспериментальные данные по разложению оксалата аммония водного
|
№ |
/и-103,кг |
КЛ |
т, с |
Д/и/Ат-Ю6, кг/с |
jm, кг/м2с |
|
1 |
0,2826 |
453,0 |
541,95 |
0,521 |
0,0099 |
|
2 |
0,2490 |
482,0 |
610,09 |
0,468 |
0,0077 |
|
3 |
0,2815 |
488,0 |
200,61 |
1,403 |
0,0266 |
|
4 |
0,3200 |
493,0 |
237,75 |
1,346 |
0,0255 |
|
5 |
0,2500 |
503,0 |
168,46 |
1,484 |
0,0281 |
|
6 |
0,0650 |
533,0 |
24,39 |
2,665 |
0,0505 |
|
7 |
0,3145 |
533,0 |
173,37 |
1,814 |
0,0343 |
|
8 |
0,2100 |
543,0 |
58,69 |
3,578 |
0,0678 |
|
9 |
0,1397 |
548,0 |
73,50 |
1,900 |
0,0360 |
|
10 |
0,2400 |
583,0 |
44,10 |
5,442 |
0,1031 |
|
11 |
0,2492 |
623,0 |
42,73 |
5,832 |
0,1105 |
|
12 |
0,4169 |
633,0 |
62,33 |
6,688 |
0,1267 |
|
13 |
0,3534 |
648,0 |
63,05 |
5,605 |
0,1062 |
|
14 |
0,2800 |
673,0 |
39,59 |
7,072 |
0,1340 |
|
15 |
0,4998 |
703,0 |
62,66 |
7,976 |
0,011 |
|
16 |
0,4099 |
708,0 |
55,60 |
7,372 |
0,1397 |
Окончание табл. 3
|
№ |
т • 103, кг |
^к |
т, с |
Ат/Ат-106, кг/с |
7т, кг/м2с |
|
17 |
0,2862 |
753,0 |
43,0 |
6,632 |
0,1256 |
|
18 |
0,4192 |
769,0 |
54,98 |
7,624 |
0,1444 |
|
19 |
0,3100 |
773,14 |
41,96 |
7,388 |
0,1400 |
|
20 |
0,2913 |
783,0 |
39,16 |
7,438 |
0,1409 |
|
21 |
0,2736 |
833,0 |
36,88 |
7,418 |
0,1405 |
|
22 |
0,4684 |
843,0 |
47,62 |
9,836 |
0,1863 |
|
23 |
0,3600 |
866,0 |
41,0 |
8,748 |
0,1657 |
|
24 |
0,3100 |
938,0 |
35,65 |
8,695 |
0,1647 |
|
25 |
0,3778 |
948,0 |
44,34 |
8,520 |
0,1614 |
|
26 |
0,4080 |
948,0 |
42,45 |
9,611 |
0,1821 |
|
27 |
0,4909 |
985,0 |
47,38 |
10,361 |
0,1963 |
|
28 |
0,3260 |
1008,0 |
36,93 |
8,827 |
0,1672 |
|
29 |
0,2921 |
1043,0 |
29,28 |
9,976 |
0,1890 |
|
30 |
0,2600 |
1053,0 |
23,17 |
11,220 |
0,2126 |
|
31 |
0,3687 |
1071,0 |
37,36 |
9,868 |
0,1870 |
|
32 |
0,4142 |
1083,0 |
40,84 |
10,142 |
0,1921 |
|
33 |
0,3023 |
1148,0 |
29,94 |
10,097 |
0,1913 |
|
34 |
0,2940 |
1153,0 |
31,08 |
9,459 |
0,1792 |
|
35 |
0,2937 |
1166,0 |
28,26 |
10,393 |
0,1969 |
|
36 |
0,3600 |
1173,0 |
30,28 |
11,889 |
0,2252 |
|
37 |
0,3532 |
1193,0 |
30,99 |
11,397 |
0,2159 |
Экспериментальные значения потока массы можно описать зависимостью у =0,21207-1,2426 ехр[--— |. (3)
m I 258,94)
На рис. 4 приведены экспериментальные и рассчитанные по зависимости (3) значения jm .
Температура, К
Рис. 4. Поток массы при разложении оксалата аммония водного
Заключение
Впервые экспериментально изучены реакции разложения углекислого аммония, кислого углекислого аммония и оксалата аммония водного при нагреве при атмосферном давлении. Выяснена и измерена скорость разложения данных препаратов. По результатам измерений предложены расчётные зависимости. Данные препараты могут быть использованы в твердотопливных низкотемпературных газогенераторах для охлаждения продуктов сгорания до 350-450 К.
Список литературы Экспериментальное исследование твёрдых хладагентов
- Теория и техника теплотехнического эксперимента/под ред. В.К. Щукина. -М.: Энергоатомиздат, 1985.-360 с. 2.
- Химическая энциклопедия/гл. ред. И.Л. Кнунянц.-М.: Сов. энц., 1988. -Т. 1. -623 с.
