СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Введение....................................................................5
Глава 1. Физические процессы, происходящие при переносе вещества, энергии и импульса............................................................9
1.1. Диффузионная транспортировка вещества. Одномерный диффузионный перенос вещества. Первый закон Фика.....................................9
1.2. Транспортировка вещества в трехмерном пространстве. Второй закон Фика ..10
1.3. Безразмерные диффузионные критерии......................................12
1.4. Понятие о диффузионном пограничном слое. Тройная аналогия...............12
1.5. Транспортное уравнение теплопроводности Фурье...........................14
1.6. Коэффициент теплопроводности............................................15
1.7. Уравнение теплопроводности для трехмерного температурного поля..........15
1.8. Безразмерные комплексы для оценки процессов теплопроводности............16
1.9. Транспортные уравнения переноса импульса................................17
1.10.Транспортные уравнения переноса импульса Ньютона.......................17
1.11.Транспортировка импульса в трехмерном пространстве..................... 20
Выводы по первой главе .....................................................21
Глава 2. Теоретические основы транспортно-кинетических процессов при горении титана в азоте и техника эксперимента................................22
2.1. Диффузионная аналогия энерготехнологических процессов...................23
2.2. Кинетическая аналогия энерготехнологических процессов...................24
2.3. Энерготехнологическая интерпретация аналогии Рейнольдса.................25
2.4. Энерготехнологические координаты........................................26
2.5. Параметры и безразмерные комплексы, обобщающие энерготехнологические процессы..........................................................29
2.6. Физическая интерпретация энерготехнологических координат...............34
2.7. Безразмерный параметр Т................................................34
2.8. Безразмерная величина энерготехнологической эффективности............. 35
2.9. Безразмерный комплекс Ф................................................37
2.10. Разрушение твердых тел.................................................38
2.11. Энерготехнологическая интерпретация числа Ре...........................39
2.12. Кинетика импульса......................................................40
2.13. Экспериментально-теоретические исходные данные по горению титана
в азоте для вакуумирования систем.......................................42
° Стр.
2.15. Исходные данные по горению пластин в сухом азоте.........................44
2.16. Постановка задач, определяющих конструкцию экспериментальной установки.................................................................45
2.16.1. Конструкция экспериментальной установки...........................46
2.16.2. Исходные данные по горению пластин во влажном азоте...............49
2.17.Техника эксперимента......................................................50
2.18. Работоспособность устройства после длительного хранения..................53
2.19. Структура и прочность образцов...........................................55
2.20. Исходные данные при максимальной загрузке газопоглотительного устройства................................................................56
2.21. Состав газа в реакторе после горения.....................................62
2.22. Оценка качества титанового порошка...................................... 63
Выводы по второй главе........................................................ 64
Глава 3. Экспериментальные исследования транспортно-кинетических процессов при горении титана в азоте...........................................65
3.1. Исследования с целью оптимизации транспортно-кинетических процессов
при изменении формы образцов титана (форма сплошных цилиндров)............65
3.2. Исследование с целью оптимизации транспортно-кинетических процессов
при изменении формы образцов титана (формы втулок)........................69
3.3. Сравнение результатов транспортно-кинетических процессов при изменении формы образцов титана.................................................69
3.4. Оптимизация стадии транспортно-кинетических процессов в момент инициирования процесса газопоглощения........................................73
3.5. Влияние места инициирования на характеристики транспортнокинетических процессов....................................................73
3.6. Влияние конфигурации расположения воспламенительных таблеток на характеристики транспортно-кинетического процесса.........................79
3.7. Использование быстрогорящих лент на стадии процесса транспортировки (распространения) фронта горения..........................................83
3.8. Определение параметров кинетического процесса горения титана в азоте 86
3.9. Анализ транспортного (диффузионного) процесса горения титана в азоте 87
3.10. Анализ кинетического процесса горения....................................88
3.11. Оценка качества макрокинетического процесса применительно к разомкнутым системам.......................................................*......89
Выводы по третьей главе........................................................90
4 Стр.
Глава 4. Применение и исследование температурного режима газопоглотительного устройства............................................................92
4.1. Модернизация экспериментальной установки для исследования транспортировки энергии от газопоглотительного устройства........................92
4.2. Температурное поле и характеристики процесса транспортировки тепловой энергии..................................................................94
4.3. Оптимизация теплоизоляции газопоглотительного устройства.................96
4.4. Отработка конструкции теплоизоляции.......................................96
4.5. Оптимальная конструкция изоляции..........................................98
Выводы по четвертой главе.....................................................103
Общие выводы и заключение.....................................................105
Литература....................................................................106
5
Введение
Вакуумирование - технологический процесс, который используется в различных отраслях промышленности. В качестве технологических систем вакууми-рования в зависимости от назначения используют вакуумные механические насосы, компрессоры (турбоэксгаустеры), эжекторные системы с использованием в качестве рабочей среды воды, пара или газа.
Для транспортных лазерных установок, например, в составе систем вакуу-мирования используются компрессоры серийных авиадвигателей доработанных для решения соответствующих задач [1]. При этом служебные качества таких систем вакуумирования зависят от решения задач по минимальным массогабаритным размерам (с учетом потребляемых энергоресурсов) и готовности ввода в действие.
Актуальность темы. Физические процессы, протекающие при высоких температурах при взаимодействии азота с титаном, вызывают особый интерес в связи с необходимостью отработки процесса горения порошка титана для технологии вакуумирования в компактных мобильных установках. Технологический высокотемпературный физико-химический процесс включает инициирование и горение титана в среде азота.
Использование порошка титана для компактных систем вакуумирования обеспечивает технологическому процессу спектр служебных свойств, из которых необходимо выделить: отсутствие энергозатрат от посторонних источников, минимальные массогабаритные характеристики технологического оборудования, незначительное выделение в вакуумируемую среду посторонних примесей, надежность функционирования в течении длительного времени.
В отечественных и зарубежных научных публикациях технология горения (окисления) титана рассматривается в основном с позиции пожаробезопасности. Отечественные исследования достаточно подробно обобщены в научно-техническом сборнике «Авиационные материалы и технологии» [1]. Авторы публикации отмечают, что постановка и решение задач по пожаробезопасности зависит в основном от изучения двух факторов: инициации (самовозгорания)' и кинетики горения титана.
При исследовании служебных свойств титанового порошка применительно к технологии вакуумирования в настоящей диссертационной работе впервые рассматривается и обосновывается комплексный энерготехнологический процесс, который включает: предварительное прессование порошка титана до нормируемой
6
плотности в таблетки, транспортировку азота и кинетику регулирования титана с азотом в зоне горения, газовыделение адсорбированных газов, коагуляция расплавленных частичек титана, изменение структуры прессованных таблеток, изменение прочностных свойств таблеток титана и их долговечность.
Постановка и рассмотрение перечисленных в комплексе задач в литературных источниках отсутствует. Это определяет актуальность проблемы, решение которой представлено в настоящей диссертационной работе.
Цель диссертации. Исследование физических процессов, протекающих при взаимодействии титана с азотом в условиях высокотемпературного синтеза, разработка на этой основе технологии комплексного транспортно-кинетического процесса горения титанового порошка в азоте и создание на этой основе опытного технологического оборудования для компактных мобильных систем вакуумирова-ния.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
• разработка математической модели транспортно-кинетического процесса горения титанового порошка в азоте;
• создание экспериментальной установки для определения кинетических зависимостей горения титана;
• разработка методики и определение параметров кинетического процесса горения титана в азоте;
• разработка теоретических зависимостей макрокинетического процесса применительно к замкнутым и разомкнутым промышленным системам;
• отработка теплоизоляции модели газопоглотительного промышленного устройства.
Научная новизна:
1. Впервые на основе математической модели изучен энерготехнологический процесс горения прессованного порошка титана в азоте. Научно обоснованна и исследована применительно к промышленным требованиям технология вакуумирования на базе сжигания элементов из порошка титана в азотной среде.
2. Теоретически обоснованны и экспериментально подтверждены оптимальные параметры технологии вакуумирования замкнутых систем объемом 0,07 м3 за время менее 100 с до давления 50 кПа при сжигании элементов из порошка титана в среде азота.
3. Впервые экспериментально определены константы скорости кинетическо-
7
го процесса вакуумирования замкнутых систем при сжигании порошка титана в среде азота..
4. Теоретически обоснованны и экспериментально достигнуты оптимальные параметры исходных прессованных элементов из титанового порошка. Показано, что плотность этих прессованных титановых элементов должна составлять 1500 - 2000 кг/м3.
5. Экспериментально определено, что при отжиге (Т=750°С,Т=1ч) титановых
элементов с плотностью 1650 кг/м3 прочность образцов увеличивается в
2,5 раза, что обеспечивает при промышленном использовании длительность хранения при эксплуатационных условиях.
Научная достоверность результатов работы основана на экспериментальных данных полученных на модельных технологических установках, которые согласуются с теоретическими оценками. Достоверность данных обусловлена применением апробированных методик измерений, повторяемостью результатов многократных экспериментов и проверкой разработанной технологии в условиях приближенных к промышленным.
Практическая значимость.
1. Разработана новая технология вакуумирования и предложена к внедрению в компактных мобильных систем.
2. Новая технология вакуумирования характеризуется минимальными массо-габаритными характеристиками, отсутствием внешних энергоисточников и надежностью функционирования при многократном разовом использовании после длительного хранения в режиме готовности, что является определяющим для внедрения в компактных мобильных системах.
3. Разработано модельное устройство с требуемыми характеристиками, которое многократно прошло опытные испытания максимально приближенные к промышленным.
Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных и научно-технических конференциях в т.ч. на международной конференции "Экологические проблемы утилизации АПЛ и развитие ядерной энергетики в регионе", 2003г., Владивосток; International Conference on Maritime Technology JCMT 2007, 2007, Taipei, Taiwan.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 работах, которые представлены в списке литературы.
8
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (64 наименования), приложения.
Общий объем диссертации 109 страниц, включая 53 рисунка и 19 таблиц.
- Київ+380960830922