Парафин как основа легкоплавкого твердого топлива: экспериментальное исследование процессов самовоспламенения и уноса массы под воздействием воздушного потока
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
При обдуве твердых материалов высокотемпературным газом на поверхности происходят физико-химические превращения, и продукты разложения или испарения могут самовоспламеняться при наличии окислителя и подходящих температурных условиях. Особый интерес вызывают легкоплавкие вещества, например парафин, у которых температура плавления ниже температуры газа. В отличие от газифицирующихся материалов (например, ПММА), где конвективный тепловой поток блокируется продуктами пиролиза, легкоплавкие материалы образуют слой расплава, который под действием потока диспергирует и интенсивно поступает в газовую фазу. Это значительно увеличивает скорость регрессии топлива, что особенно важно для использования такого топлива в промышленности. Исследование процессов плавления, диспергирования и горения легкоплавкого топлива является комплексной научно-технической задачей, характеризующейся сопряжённостью межфазных взаимодействий и фазовых превращений.
Для решения задачи, поставленной выше, было проведено большое количество экспериментов на установке, которая позволяет создавать высокотемпературный поток окислителя, в качестве которого используется атмосферный воздух. В качестве объекта исследования был выбран парафин марки П-2, из которого были сделаны опытные образцы, представляющие из себя прямоугольный брусок со скошенной под 30 градусов входной кромкой, которые помещались в рабочую камеру. Температура воздуха на входе в рабочую камеру варьировалась в диапазоне 600–1000 К, расход воздуха – в пределах 0.05–0.22 кг/с, давление в рабочей камере варьировалось в диапазоне 0.4–2.0 МПа.
В результате установлено, что самовоспламенение образца парафина происходит при определенных значениях параметров Tin (температура потока на входе в рабочую камеру) и Ga (массовый расход потока). Самовоспламенение происходит, когда Tin превышает 770 К, а его расход Ga превышает 0.1 кг/с. По результатам экспериментов построена граница области устойчивого самовоспламенения парафина в координатах (Ga, Tin). Также была определена задержка воспламенения, которая присутствовала в каждом случае, но в зависимости от параметров эксперимента, задержка была разной. В результате анализа экспериментальных данных и теоретических исследований была предложена модель воспламенения парафина. Проведены исследования влияния геометрических размеров образца, а также наличия искусственных преград на параметры плавления и самовоспламенения образца
Как указывалось выше, одним из важных параметров является скорость регрессии топлива. Установлена зависимость скорости регрессии образца от параметров набегающего потока горячего воздуха. Под воздействием потока происходит прогрев верхнего слоя парафина и его расплавление, образование тонкого слоя в 2-3мм, основная масса которого стекает к задней кромке образца, где образуется застойная зона. На поверхности расплавленного материала под действием касательных напряжений со стороны воздушного потока образуются волны. С помощью высокоскоростной камеры с объективом высоко увеличения были определены амплитуды и длины этих волн, средние значения которых составляли 0,1-0,3мм и 0,5-2 мм соответственно. Разработана модель регрессии образца в высокотемпературном потоке воздуха.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-19-00703, https://rscf.ru/project/24-19-00703/
