WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

­­­

 

На правах рукописи

Терещук  Валерий  Сергеевич

  РАЗРАБОТКА  НАУЧНЫХ ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И 

  ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДОГЕНЕРИРУЮЩИХ

  КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ  АКТИВНЫХ

  ЭНЕРГОАККУМУЛИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ 

Специальность: 05.14.04 .-

  Промышленная теплоэнергетика

  АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

 

  Москва – 2009

 

 

Работа выполнена в Учреждении Российской академии  наук

  Институт  Машиноведения им А.А.Благонравова РАН

 

 

Официальные оппоненты:  - доктор технических наук,

профессор

Тувальбаев Булат Гарифович

-доктор технических наук,

профессор

Арнольдов Михаил Николаевич

  -доктор технических наук,

  профессор

  Рохлин  Лазарь Леонович

Ведущая организация -  Федеральное государственное

унитарное предприятие  НИИ НПО «Луч»Московский автомобильно-дорожный

государственный технический университет

  (МАДИ)

Защита состоится «  » ______________ 2010 г. в  ч.  на заседании  диссертационного совета Д 212.137.01 в Московском государственном открытом  университете  по адресу: 107996, ул. Пав-

ла Корчагина, д.22 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

  Московского государственного  открытого  университета

Автореферат разослан  «  »  ______________  20  г.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями,  заверенным 

гербовой печатью, просим  направлять по указанному адресу.

 

Ученый секретарь

диссертационного  совета А.Б. Пермяков

 

 

ОБЩАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ

 

АктуальностьОдной из проблем ХХI века  является проблема быстрого  истощения топливно-энергетических ресурсов Земли. На смену углеводородному сырью, которого  должно хватить на ближайшие 50-70 лет, придут ядерное топливо и возобновляемые источники энергии.  Из них достаточно легко получить электрическую энергию, которую практически, без дополнительного промежуточного цикла или  дорогих передающих систем невозможно перевести во вторично используемые топлива или другие виды энергии. Углеводородное топливо в общем балансе энергопотребления планеты составляет не менее 70%, поэтому поиск экологически чистых энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ), способных включиться в такой дополнительный цикл, представляется сверхважным.  Разработанный и исследованный в данной работе для промышленной        теплоэнергетики метод получения и использования водородогенерирующих композитов (ВГК) на базе активных энергоаккумулируюших металлов является одним из перспективных вариантов решения одновременно сразу трех проблем: получения, хранения и эксплуатации водородного топлива.

Главным преимуществом используемого водородного топлива является абсолютная экологичность (пары воды) его продуктов горения.

  Основной целью работы является исследование процессов взаимодействия активных по отношению к воде металлов (ЭАВ) а также сплавов и композитов на их основе с целью получения водорода для последующего его использования в машинах и установках различного промышленного назначения;  разработка новых видов таких материалов,  которые не только активно взаимодействуют с водой для получения водорода,  но и при этом выделяют значительное количество тепла.

Объекты исследования.  В качестве объектов исследования выбраны металлы, наиболее активно взаимодействующие с водой (прежде всего алюминий) в легкорегулируемых по производительности водородных генераторах  нового класса устройств конвертации ЭАВ для промышленной энергетики.

  Научную новизну работы составляют:

- разработанные положения теории поведения частиц металла на разных стадиях горения в прогретом слое композита и в различных окислительных средах;

- результаты исследования полноты сгорания металлических частиц в зависимости от параметров газогенератора; 

- анализ поведения прогретого слоя металла при горении в чистом виде и в виде композиции при различных нагрузках на горящую поверхность;.

- оценка энергетики взаимодействия А1 с водой в экстремальных условиях;

- формулировка и доказательство теоретических положений по процессу горения А1 в парах воды, при котором образуются энергетически высокоактивные неустойчивые соединения А1-Н,  объясняющие причину взрывного горения А1;

- результаты экспериментальных исследований  газопроизводительности известных и вновь разработанных сплавов А1;  снижения гидродинамического сопротивления на образцах активированного А1 и теория этого процесса;  выявления возможности активации некоторых сплавов А1 электрическим током в водопроводной воде;

- конструкция опытного образца газогенератора на активированном А1.

  Практическая ценность  работы состоит:

- в разработке методов инженерного расчета регулируемых газогенераторов водорода на ЭАВ на заданный ресурс установок для промышленной теплоэнергетики;.

- в предложениях по  устранению  причин аномального взаимодействия А1 с водой в различных агрегатных состояниях при использовании ЭАВ в промышленной энергетике, горнодобывающей и строительной промышленности;

- в получении экспериментальных результатов по газопроизводительности А1, его сплавов и композитов, в том числе и разработанных автором, при различных физических и химических воздействиях;

- в использовании результатов исследования для регулирования газопроизводительности  газогенераторов транспортных и стационарных энергетических установок;

- в использовании результатов испытаний по снижению гидравлического сопротивления при помощи ЭАВ заводом «Дагдизель» в своих перспективных разработках;

- разработка методов и способов применения ЭАВ на базе активированного А1 для различных областей техники.

Апробация работы. Исследования проводились по Госконтракту Федерального  агентства по науке и инновациям по теме «Разработка технологий автономных и резервных источников энергии на основе необратимых и регенерируемых генераторов водорода», и результаты рекомендованы для проведения ОКР по мероприятию 2.6 «Осуществление комплексных проектов, в том числе разработка конкурентноспособных технологий, предназначенных для последующей коммерциализации в области энергетики и энергосбережения», что соответствует теме данной диссертации. 

Основные положения и результаты работы доложены и получили положительную оценку на Международных конференциях, форумах и семинарах по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте в 2001-2008 годах.

  Материалы диссертации используются в учебном процессе в МГИУ Московском государственном индустриальном университете  на кафедре «Автомобили и двигатели».

  Автор выносит на защиту:

- методы расчета полноты сгорания ЭАВ в парах воды при различных конструктивных и физико-химических параметрах;

  - теплопрочностную модель взаимодействия композита на основе ЭАВ с твердой опорой;

- новую модель горения частиц А1 в парах воды;

- доказательство диффузионного характера насыщения расплава А1 водородом до образования неустойчивых соединений А1Н-А1Н2 при повышенных давлениях и температурах;

-  расчет энергетики аномального взаимодействия расплава А1 с водой;

- экспериментальные и теоретические результаты по снижению гидродинамического сопротивления;

- различные методы получения водорода из воды и дополнительного тепла для нужд теплоэнергетики с использованием сплавов и композитов из алюминия.

Структура и объем диссертации  Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, приложения, списка использованной литературы из 127 наименований объемом 196 страниц, включая 40 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ  СОДЕРЖАНИЕ  РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность получения и использования водородогенерирующих материалов (ЭАВ), которые способны производить водород для нужд промышленной теплоэнергетики, и давать при этом значительное количество тепла. Основной целью данной работы является создание композитов на основе А1, которые не только позволяли бы получать в практически неограниченных количествах водород, но и обладали  бы экологической безопасностью и низкой стоимостью.

  Важным импульсом к исследованию активных металлов в качестве ЭАВ явилась идея академика В.П. Бармина и профессора И.Л. Варшавского о создании двигателя, работающего на водороде, но без водорода на борту.

Работы  автора с 1964г. по 1986г. были посвящены созданию газогенераторов (ГГ) водорода на композитах, где основой служили А1 и Mg. Начиная с 1986г. автор в основном работал над созданием газогенераторов водорода для  различных энергетических установок. В последнее время эту тематику курировал академик РАН В.И. Субботин. 

  В  первой главе отображены состояние и перспективы промышленного  использования ЭАВ  в стационарной и транспортной энергетике. К ЭАВ относятся горючие ископаемые и восстановленные окислы, включая водород, алюминий, бор, кальций, магний; гидриды, бориды, силициды,  карбиды, нитриды, силаны; вещества, выделяющие энергию при фазовых переходах и образовании сложных соединений из простых веществ, а также атомарный водород и метастабильный гелий. Исследование ЭАВ и их практическое применение позволяют расширить топливно - энергетические  ресурсы,  положительно решить экологические задачи.

  Работа посвящена в основном изучению  наиболее активных металлов и некоторых гидридов. Выяснено, что при взаимодействии 1 л алюминия с водой можно получить тепла в 2,5 раза больше, чем с одного литра бензина и обеспечить при  этом абсолютно безвредные продукты сгорания – окись алюминия и пары воды.

  На энергетические свойства наиболее активных металлов указывал еще Д.И. Менделеев. В 1929 году Ю.В. Кондратюк рекомендовал в качестве топлива для ракетной техники использовать Li, B, Al, Si  и  Mg в чистом виде или в смесях с другими веществами. В 1932 году Ф.А. Цандер экспериментально исследовал горение некоторых металлов в кислородной горелке. В военных целях  с 1945  года интенсивно разрабатывались смесевые твердые топлива, содержащие алюминиевые порошки для повышения их теплоты сгорания. В 1945-1946гг. появилась идея  создания  реактивного двигателя, использующего в качестве окислителя воду. На этом принципе сделан и газогенератор водорода, использующий эффект взаимодействия активного металла с водой,  при котором выделяется водород.  В конструкторской  разработке, испытаниях и создании теории такого генератора (сдан в серию в 1978 году)  принимал активное участие автор этой работы.

  Окислы Al, Mg, образующиеся в этом газогенераторе,  являются безвредными для человека,  и окружающей среды, не говоря уже о конечных продуктах взаимодействия – водороде и воде.

На основе этих работ в настоящее время во многих организациях создаются газогенераторы, вырабатывающие не только водород, но и значительное количество тепловой энергии. Такие ГГ могут значительно повысить эффективность промышленной теплоэнергетики. Эта идея в 1975 г. нашла конкретное воплощение в газогенераторе на активированном алюминии, при взаимодействии с которым из воды, заливаемой в газогенератор, выделяется водород,  подаваемый в поршневой двигатель.

  Активированный алюминий изготовлялся методом спекания порошка А1 с редкоземельными металлами In и  Ga. Индий Индия и галлияй в земной коре содержится 10-5% ,  что для массового использования при переходе на водородное топливо явно нецелесообразно.  Полученные спеканием  образцы активированного А1 при взаимодействии с водой разваливались почти сразу, и дальше шло взаимодействие рассыпавшегося композита с водой, что не обеспечивало стабильного выхода водорода.

Указанные обстоятельства позволили сформулировать перспективные задачи исследований, составивших основу диссертации: найти более дешёвую часть композита активации А1 для замены дорогостоящих индия и галлия; создать действующую установку газогенератора водорода на разработанных водородогенерирующих композитах; подтвердить экспериментально  применимость ВГК в различных областях народного хозяйства.

Вторая глава посвящена разработке научных основ газогенераторов водорода для промышленной теплоэнергетики. Для более полного исследования этого вопроса были привлечены результаты испытаний на модельных камерах сгорания предыдущих исследователей.

И.М. Капура и В.И. Серебрянников проводили  свои эксперименты на готовых расплавах Na и K, впрыскивая их в камеру сгорания (к.с.) через форсуночные устройства.  Невысокие энергетические характеристики этих металлов  и сложность создания на борту транспортного средства расплава этих металлов не привелиа к практическому использованию этих  металлов  в качестве топлива в энергетических установках.

  Первые же испытания газогенераторов, где горючими были чистые щелочные металлы в виде цилиндрической шашки торцевого горения, а окислителем - обычная водопроводная вода,  выявили неустойчивую их работу. При увеличенной подаче воды на горящий торец происходило резкое увеличение давления в камере сгорания в пульсирующем режиме,  увеличивалась неравномерность скорости горения по поверхности торца, и  горение происходило уже во всем объеме прогретого слоя, что приводило к взрывам газогенератора.

При вертикальном расположении горящего торца (Гречнев В.И. и  Максименко А.И.) горение подобных зарядов также было крайне неустойчивым.

Автор проанализировал теоретически  неустойчивость горения в этих случаях и показал, что она возникает вследствие стекания  расплавленного слоя с горящего торца заряда. Эти выводы совпали с результатами экспериментов. Автором оценена толщина расплавленного слоя Х для 4-х металлов: Na,  Li,  Mg  и А1 по  уравнению  Михельсона-Герца. Зная толщину расплавленного слоя и применяя формулу скорости стекания жидкости с вертикальной пластины, автором была получена расчетная формула средней скорости движения расплавленного прогретого слоя V:

где  U0 - cкорость  горения прогретого слоя.  Для всех металлов для оценочных расчетов  принималась 1 см/сек, что соответствует экспериментальной средней скорости горения  сильнометаллизированных топлив при  2 МПа;  Ts - температура кипения металла, К; g -  ускорение свободного падения, м/сек2;  Т0 - начальная температура заряда (293  К); ТL  - температура плавления; f – поправочный коэффициент в формуле, численно больший единицы, на основании теории  Клаузиуса равный 1,25 и являющийся постоянной величиной (из молекулярно-кинетической теории  для выражения теплопроводности через вязкость и теплоемкость). k = Ср/Сv – поправочный коэффициент Эйкена,  принимаемый равным  4/3.  Результаты расчета приведены в таблице 1.

  Таблица 1 – Толщина и скорость стекания расплавленного слоя металла.

металл

Na

Li

Mg

Al

Х, см

1,5

0,466 

0,326

  0,715

V, см/сек

1106

  300

54,7

292

 

  Cамая низкая скорость стекания - у магния, что и подтверждается экспериментами на магниевых составах, на которых в сотнях экспериментов не наблюдалось ни одного взрыва.  У натрия самая высокая скорость стекания (почти в 20 раз больше, чем у магния) и самый толстый прогретый слой, поэтому газогенераторы торцевого горения на натрии больше всего подвержены взрывам, что  и наблюдалось в экспериментах.  Литий и алюминий занимают промежуточное положение по скорости стекания (всего в 5-6 раз больше, чем у магния),  поэтому  изредка и случаются на практике взрывы. Исследованиями установлено, что устойчивость горения определяется соотношением скорости стекания к скорости горения.

  Совершенствование зарядов  твердого гидрореагирующего топлива (ТГРТ) шло в

сСоответствии с предвидением Ю.В.  Кондратюка,  что для устойчивости горения активные металлы лучше применять в смеси с другими веществами, т.е. в виде смесевого топлива, композита. В дальнейших модельных и натурных отработках газогенераторов, в которых непосредственно участвовал автор, ГРТТ состояло в основном из А1 и Мg с небольшими добавками окислителя и связки. В этих случаях при теплопроводности подобных составов в несколько раз ниже теплопроводности чистых металлов прогретый слой не превышал 1 мм, и практически не был склонен к стеканию металла по торцу, т.е. скорость стекания была явно ниже скорости горения, что давало устойчивое горение в любых условиях.

  При использовании для получения водорода сильнометаллизированных композитов (металла больше 50%) поведением  конденсированной фазы в продуктах сгорания уже нельзя пренебрегать, особенно в условиях агломерации как на поверхности горящего торца, так и в потоке ее по длине к.с. вплоть до выхода из камеры. Показано, что в этих случаях

полнота сгорания металла  сильно зависит  от  относительной длины зоны смесеобразования и горения L01/Dк.с. Исследовалось горение торцевого цилиндрического композита горизонтального расположения с вертикально горящим торцем, в сторону которого  впрыскивлась вода. Полнота сгорания оценивалась экспериментально и теоретически по конечной характеристике – удельной газопроизводительности q нм3 водорода с 1кг сгоревшего композита. Наибольшее значение величины q  достигается при оптимально подобранном расстоянии от форсуночного блока до горящего торца - L01.

Автор экспериментально и теоретически исследовал газопроизводительность в зависимости от давления в к.с. (Рк.с.) и от длины зоны L01 (первая задача), возможность создания оптимального расстояния L01 методом прижатия горящей поверхности композита к различного рода  опорам и разработал теоретическую модель процесса увеличения местной скорости горения композита под опорой (вторая задача)..

Первая задача решалась при исследовании движения частиц несгоревшей к-фазы от горящего торца до выхода из камеры сгорания.  Для выяснения полноты сгорания ГРТТ важны не только зоны горения и cмешения, испарения и горения, но и зоны, где возможно осаждение несгоревшей К-фазы на стенку к.с. Важную роль в этом исследовании играет агломерация  частиц. Выявлено, что чем меньше начальный диаметр частиц (меньше 75мкм), тем интенсивней агломерация таких частиц.  После расчета агломерации по всему начальному спектру частиц  распределение частиц  сдвигается вправо, т.е в сторону увеличения,  причем тем значительнее, чем ниже давление.  Для расчета агломерации  использованы формулы, разработанные для отдельных частиц  ИХФ АН СССР и НИИПХ. С применением зависимости  Розина-Рамлера  автором этот метод обобщен на весь спектр частиц порошка ПАМ-4 (порошок А1-Mg 50/50).

  Используя термодинамические характеристики ГРТТ в диапазоне давлений 2-7 МПа, автором показана степень равнозначности аэродинамических и гравитационных сил в диапазоне уже агломерированных диаметров частиц металла dк = 15-100мкм согласно предложенному критерию:

,

где  где Vг, Z, R, T,   и  Р – скорость газа, весовая доля газа в продуктах сгорания,  газовая постоянная, температура,  вязкость и давление газовой среды соответственно; - коэффи-

циент в законе скорости горения ГРТТ: U0 = u1 P, . u1- скорость горения при Р=1 атм.

Для иллюстрации приведем в таблице 2 результаты расчетов критерия А для трех давлений и для трех значений dк. Из результатов расчетов критерия А, представленных в таблице 2, можно заключить, что с ростом  давления cреды Р и диаметра частицы dk  влияние гравитационных сил  Fграв начинает преобладать  над аэродинамическими  Fаэр

  Таблица 2 – Отношение аэродинамических сил к гравитационным.

dk,,мкм;  Р, Мпа 

  2

  4

  7

100

1,64

0,9

0,54

  50

6,6

3,6

  2,17

  15

  73,1

  40

24,1

 

 

 

Следовательно,  должна увеличиваться доля непрореагировавших частиц, упавших на стенку камеры сгорания, т.е. должна падать условная (располагаемая)  полнота сгорания  композита.

Из формулы и из данных таблицы  2 видно, что диаметр частицы по своему влиянию минимум в два раза превосходит влияние давления в камере сгорания на осаждение частиц на стенку. В свою очередь исходный начальный диаметр частицы d0, заложенный в ГРТТ из-за агломерации dА, может возрасти в несколько раз.

  В зависимости от вида металлических частиц физическая картина их сгорания во фронте горения может быть различной. Так, частицы ПАМа практически не меняют своих размеров при горении, а частицы Мg при горении уменьшаются. В этом случае агломерированные частицы не трудно пересчитать на новый диаметр согласно выгоревшей массе, найденной по Рис.1.Относительная доля неосевших  термодинамическому расчету первичного горения.

частиц  металла в зависимости от их диаметра, длины зоны горения и давления.

При первичном горении металла в прогретом слое и вблизи горящего торца окис- литель, как правило, расходуется полностью из-за его значительного дефицита, поэтому  процесс 

здесь можно считать равновесным.  Осаждение  к-фазы на стенку к.с. выявляется  решением дифференциальных уравнений движения к-частиц по осям Х и У.

Получены также интегральные выражения для  времени движения к-фазы  по оси Х

и по оси У в зависимости от  скорости к-фазы:

  1  0  2  • dUx

  x = — ————————————

  в vг Ux(24•a2 + 4,4aUx + 0,42•Ux2)

  1 0 2Uy•dUy

y  =    g b   Uy2 (24a2  + 4,4aUy +  0,4• U2)  ,

  vпред

 

где  Vпред  =  (5,54 b  + 18,75•a2 4,33•a)2, Uy = Vy,

 

Принимая, что частицы различных размеров распределены по торцу ГРТТ равновероятно, то для каждого значения dk  можно записать его весовую долю, не осевшую на стенку камеры сгорания (di) в виде эффективной  площади горящего торца (см. рис. 1):

  (di)=1 - S(di) /S0 = 2/( Arccos - sin Arccos),

где    = Ymax(di)/ Dкс.

Расчет проведен для определенного диаметра камеры сгорания Dкс, диаметра частицы в диапазоне di = 0-150мкм, различных давлений и величин максимальных перемещений частиц по оси Y. В диапазоне 15 < di < 150мкм  эта зависимость почти линейна и для удобства дальнейшего интегрирования принимается в виде:  (di) = а - сdi.

Зная весовое распределение частиц по размерам, можно рассчитать располагаемую полноту сгорания, т.е. их попадание в зону вторичного горения в виде интегральной ,  зависимости: р  =  (а - сd)nDn-1xp(-Dn)·dD,

где  D = d i/d*,  d* - константа размера. 

Рис.2. Располагаемая полнота сгорания частиц металла 

  в зависимости от длины зоны  горения и давления.   

Данный интеграл сводится к интегралу вероятности и интегралу Эйлера (табличная гамма-функция). Естественно, чем больше будет длина зоны ФПГ (зона, где отсутствует поступление окислителя извне), тем большая доля к-фазы осядет на стенку камеры сгорания.  Выявлено, что с ростом  Ркс  падает располагаемая  полнота сгорания (см. рис.2). Но с другой стороны с ростом Ркс  увеличивается и  время пребывания преб  к-фазы  в к.с. 

Время пребывания газовой фазы увеличивается не только  с ростом Ркс ,  но и  потому,

  что по мере выгорания топлива увеличивается объем к.с.  В смесевом топливе содержится

в связке небольшое количество  углерода. Полноту сгорания частиц углерода подсчитываем по формуле: 

с  = ехр(- Е\RТ) преб ,

где  Аехр(-Е\RТ) = К – скорость реакции по закону Аррениуса,  А - частотный фактор, определяемый по результатам экспериментальной работы,  в которой исследовалась полнота сгорания по времени для различных органических веществ в парах воды при 9000С (Т=1173 К).

Время пребывания к-фазы из-за динамического отставания от газового потока естественно будет больше, а при осаждении на стенку неопределенно велико.  Это основное отличие камер сгорания на  металлизированных ГРТТ от обычных камер сгорания пороховых или жидкостных камер сгорания.

  Для относительной весовой доли сгорания (фактической) частиц А1 было  выведено следующее

интегральное  соотношение:

Dmax

  ф  =  1- ( 1-  преб/ к(Dd*)1,5)2 ·n·Dn-1·exp(-Dn)·dD

D0 преб

Рис. 3. Полнота сгорания алюминия и где  D0преб=1/d*(преб/к)2/3 - диаметр частицы полностью углерода без потерь и с осаждением  сгораюшихе за преб. Принимаем  преб = гор,

на стенку камеры сгорания А1.   к = 0,67 / ак0,9(1 + 0,22Re),

ак – концентрация окислителя в зоне горения.

  Выполнены расчеты полноты сгорания углерода и алюминия в зависимости от давления Ркс. (рис. 3).

  При найденной полноте сгорания А1 и С (Mg сгорает полностью, если по условиям термодинамики он находится в виде паров, т.е. Мg = 1)  можно составить формулу для определения удельной  газопроизводительности: 

qм =22,4(nN2 + nH2 + nMgMg +1,5nA1A1 + 2 nC C).

  На рис.3  А1 - доля осевших  частиц А1, которые  не сгорают на стенке к.с. Кривая А1- сгорают полностью (р=1,0).

На рис.4 приведены расчетные и экспериментальные данные по  удельной газопроизводительности для различных диаметров  к.с. и величины L01. 

 

 

  Выполнены расчеты с догоранием и недогоранием осевшего А1 и проведено сравнение с опытными данными.  Ближе к опыту –  расчеты с учетом недогорания. Полнота  сгорания А1 выразится зависимостью: А1=1- =  f (L01).

  Как видно из рис.4, полученная зависимость  при предположении полного недогорания осевшего  А1 проходит ниже  экспериментальной зависимости и чем больше величина  L01, тем значительней расхождение. У экспериментальной зависимости по сравнению с теорией полного догорания такое расхождение меньше. Это объясняется тем, что значительная доля осевшего А1 (80-85%) при избытке окислителя догорает в шлаке в процессе горения  заряда ГРТТ.  Здесь же для сравнения  приведена подобная зависимость для диаметра камеры сгорания в 2,5 раза меньше предыдущей.  Для меньшего диаметра падение величины  qм,  как и следовало ожидать согласно выведенным нами формулам, будет еще  больше. Но при перестроении по аргументу  L01 / Dкс  и с учетом дальнобойности  форсунок зависимости практически совпадают. Следовательно, при моделировании к.с. на ГРТТ при неподвижном заряде с удалением форсуночного блока от горящего торца ГРТТ важным фактором, влияющим на текущую удельную газопроизводительность,  является не абсолютная длина зоны L01, а относительная  L01/Dкс.

Режим  горения и осаждения  к-фазы  зависит от количестве и качества транспортируемого окислителя (воды) в зону горения. Решение этой задачи сводится к правильному подбору системы распыла воды. В опытах весовая доля  испаренной воды оценивалась по  формуле, предложенной автором:

  исп=1-(Gф - Gэф)/(Gф  -  Gстех),

где Gф  - действительный расход воды через форсунки, кг/сек;  Gэф-расход воды, затраченный на химические реакции и испарение,  оценивался по номограммам термодинамического расчета автора:  Ркс=f(эф,Gт,  Fкр); эф =Gэф/Gт;  Gт -фактический расход ГРТТ, кг/сек;  Fкр-площадь критического сечения сопла;  Gстех – расход воды по стехиометрии, кг/сек.

Для связи полноты испарения с системой распыла был предложен автором этой работы критерий эффективности распыла:

Gф i  • i ф 

Эр  =  1  - n  Gт =  1 -  n  ,

где i – коэффициент  расхода форсунки; n – количество  форсунок;  ф - Gф/ Gт.

  Получена экспериментальная зависимость  исп  = f ( Эр). По этой зависимости, полнота испарения для исследованных систем распыла может колебаться от 0,3 до 1, при Эр = 0,6  -  0,99.  При этом, естественно, чем выше эффективность распыла, тем  интенсивнее испарение. Эффективность распыла, как и полнота испарения, близка к 1 в тех случаях, когда применяются центробежные форсунки с небольшим расходом и в значительном количестве, при подаче воды с небольшим избытком от стехиометрии, особенно против потока, т.е. на торец заряда ГРТТ.  Замена, например, центробежных форсунок на струйные того же диаметра для  = 1,15 эффективность распыла падает на 3%, а полнота испарения на 8% при одинаковой дальнобойности для каждого факела распыла. Дальнобойность факела распыла  можно рассчитать согласно уравнению  движения испаряющейся капли, движущейся в среде с переменными  параметрами.  Переменные параметры среды рассчитываем  в функции эф.  Само  эф  рассчитываем через интегральное соотношение: 

  ()

эф  =  ф [ 1–  ( D d* )2 ]1,5 n Dn-1 exp(-Dn)dDd,

0 D= . d*

где ()  = 8c(Ткс  -  Тк)/кL  - коэффициент испарения; c – теплопроводность  окружающей среды,  как и  Ткс,  зависит от величины ;  L, Тк и  к  - теплота испарения, начальная  температура и удельный вес капли.

При расчете дальнобойности струйных и центробежных форсунок d= 1,6 мм при перепаде на форсунках Рф = 4-12 кг/см2  выявлено, что при удалении горящего торца от зоны распыла на центробежных форсунках уже через 3-5 сек работы камеры сгорания факел распыла не достает до фронта горения, а при струйном, соответственно, через 30-40 сек.  Таким образом, центробежный распыл против потока наилучший во всех отношениях, только при постоянной минимальной длине зоны L01 ( 20-100мм).  При невозможности обеспечения постоянства длины этой зоны  целесообразно применять более дальнобойные осевые  струйные форсунки, хотя они и менее эффективны в отношении равномерности

распыла и испарения.

  Для подтверждения принятой модели расчета газопроизводительности был проведен  расчет шлакообразования.  Величина осаждения шлака записывается в виде  (L) = 1- р, и  составлено интегральное соотношение для веса шлака:

шл  =  GГРТТ дА1 ок /(докА1)(L) dL, 

где GГРТТ  - начальный вес ГРТТ;  дА1  и А1 - весовая доля А1 в  ГРТТ и его удельный вес;  док  и  ок -  весовая  доля окисла А1 и его удельный вес.

Т.к.  (L) = f(р), а  р  -  согласно рис.2 можно представить в виде параболы, то и  (L) =  аL012 +  b L01  + c и можно найти  соответствующие коэффициенты: а, b ,с.

  После интегрирования и подстановки всех известных величин получено для центробежного распыла  шл  = 23,9 кг, а для струйного распыла  -  10,2 кг, что близко к опытным данным.  Формула для шл  была использована также  для нахождения весового распределения шлака по длине камеры сгорания, а, следовательно, для подсчета толщины слоя шлака.  Наибольшая высота шлака получена при центробежном распыле в начале камеры сгорания к моменту полного выгорания ГРТТ и составляет 116 мм, и относительная площадь загромождения  шлаками  в начале камеры сгорания  составила  0,512, т.е. загромождение  сечения шлаками происходит  медленнее, чем падение величины  р, которую можно рассматривать как эффективную площадь торца.

В главе 3 анализируются особенности отработки натурных газогенераторов водорода.  Удаление горящего торца от зоны распыла  приводит к потерям в газопроизводительности. Основным практическим способом сохранения постоянного расстояния L01 является прижатие горящей поверхности ГРТТ к  опорным элементам. Но, как показали многочисленные  эксперименты,  у одних составов - местная скорость горения под опорами Uм  возрастает в несколько  раз,  для других Uм  почти не отличается от нормальной скорости горения вне опор -  Uо.

  Были проведены эксперименты  с различными опорами и, по предложению автора, с охлаждаемыми опорами при различных удельных усилиях прижатия Nуд = F/Sопоры Выявлено, что охлаждение опор (особенно внутреннее) значительно подавляет эффект врезания  (увеличения местной скорости горения под опорой).

Охлаждение опор действовало  тем эффективнее, чем меньше теплосодержание в прогретом слое  и чем больше Nуд. Автором  приведена статистика по эффекту врезания на различных топливах и замечено, что эффект врезания на неохлаждаемых опорах меньше у более прочных топлив и больше у менее прочных, что отражено в таблице  3.

Таблица 3  -  Зависимость  увеличения  скорости горения под опорами от  прочности  состава.

Марка  Т9- БК-2  ПАЛ-16/10  НМФ-2  МК-8в  МТ-19

, Мпа  4,5 7,5  19,0 15,4 42,1

  n 7 6  3  1,3  1,06

 

  В таблице 3 первые два состава -  смесевые топлива,  НМФ-2 – типичный баллиститный состав,  последние два – ГРТТ.  Nуд = 1,4 Мпа  для всех составов;.

n -cтепень увеличения скорости горения под опорами  - это отношение местной скорости горения  uм  под опорами к скорости горения, т.е.  вне опоры  u0.

  Данный эффект с небольшой величиной  n необходим и полезен для поддержания постоянной величины зоны горения.  Значительная величина  n  и явная  зависимость этой величины от  Nуд  может служить  предпосылкой технического решения для простого способа регулирования  скорости горения водородогенерирующего композита.

Не ставя задачу регулирования, а считая на начальном этапе более важным создание постоянной зоны горения  при отработке процессов горения ГРТТ с водой,  с врезанием решили бороться простыми способами, видя основную причину  «врезания» в тепловом воздействии опор на поверхность горения. По нашим начальным представлениям, чем больше теплопроводность  опор н, тем больше должна быть величина  n, но  применение теплоизолированных опор в  наших экспериментах не привело к снижению величины n.

  Медленногорящие топлива ГРТТ, такие как МК-8в,  ТГТ-5, П61-04, давали большую величину (до 2,5 у ТГТ-5),  чем быстрогорящие  типа МТ-19, всего на несколько %.  При тех же условиях у порохов такой зависимости  не наблюдалось.  Таким образом, тепловая теория не является универсальной и кроме теплового воздействия опоры  на горящую поверхность важную роль оказывает прочность состава, что и подтверждают экспериментальные данные таблицы № 3.  Изучая влияние прочности состава на величину n,  было выяснено, что важны процессы, происходящие в прогретом слое горящего топлива,  непосредственно примыкающего к  зоне горения.  При воздействии опоры с усилием на поверхность горящего торца прежде всего происходит разрушение прогретого слоя. Толщина прогретого слоя в обычных условиях подчиняется  уравнению Михельсона –Герца. В случае частичного разрушения прогретый слой становится тоньше на величину слоя разрушения Хм  = Х0 - Хр под опорой , где скорость горения  uм . Т.к. температура опоры в месте контакта с поверхностью горения и температура поверхности горения под опорой явно выше температуры поверхности горения  в нормальном состоянии (Тs)  и  приближается к температуре, близкой к температуре фронта горения Тг.  Обозначим  ее как  Tsм,, тогда  преобразованное уравнение Михельсона будет иметь вид:

  хм =х0 - хр =( /uм)ln [(ТSМ - Т0)/(Т -  Т0)].

  Уравнение Михельсона-Герца не учитывает зависимость величины температуропроводности  от температуры и химических реакций в прогретом слое.  Аналитически решить задачу с учетом реакций в прогретом слое пока не удалось ни одному  специалисту в области горения твердых топлив. Экспериментально эту задачу решил  А.А. Зенин для некоторых порохов. Особенно ценны его замеры микротермопарами  Тs и Тг для оценочных расчетов правильности наших методик.  Сравнивания результаты своих замеров с расчетом по формуле Михельсона, он установил, что экспериментальная толщина прогретого слоя отличается от теоретической в несколько раз. Задаваясь зависимостью  = f(Т), мы можем приблизиться к реальной толщине прогретого слоя.  Решая уравнение теплопроводности с подвижной стенкой и задаваясь рядом значений =f (Т), были получены реальные толщины прогретых слоев различных композитов.

Для нахождения глубины разрушения  Хр  в прогретом слое Х1  используем формулу Н.С. Курнакова,  которая  представляет зависимость  прочности на сжатие  от температуры. Для выяснения зависимости величины напряжения, возникающего в прогретом слое по глубине под опорой t = x, от удельной нагрузки от опоры  Nуд обратимся к решению классической задачи о распределении напряжений, возникающих в полуограниченном теле под  цилиндрическим стержнем радиуса а :

  х =  t  = Nуд[1 – X3\(a2  + x2)1/3].

При анализе этой формулы  установлено, что в пределах толщины  прогретого слоя Х1 1мм применяемые опоры имеют характерный размер а, в несколько раз больший, чем Х1,  и поэтому  х = t Nуд,  вот почему все исследователи процесса  горения твердого топлива под опорой не установили сколько-нибудь заметной зависимости  uм  от формы и размера опор, за исключением влияния эффекта эрозии  при значительной протяженности площади контакта  на некоторых топливах.

  Подставляя в формулу Хм =Хо - Хр найденную величину Хр, находим местную толщину прогрева под опорой Хм. Чтобы найти величину  uм, необходимо найти температуру на поверхности топлива под опорой Тsм. Как было сказано выше, в первом приближении можно приравнять  эту температуру к температуре горения твердого топлива Тг, но расчеты при данном допущении дают завышенное значение  местной скорости горения под опорами.

Ранее предполагалось, что чем теплопроводнее опора, тем больше тепла по ней передается к горящему слою. Это положение на практике не подтвердилось,. Особенно особенно в случае  композитов ГРТТ. По мнению автора, при тепловом контакте двух нагретых тел (опоры и прогретого слоя твердого топлива) необходимо рассматривать контактный теплообмен. При контактировании разнородных материалов теплопроводность места контакта выражается известной зависимостью:

к=( 2 оп  т)/(оп  +  т)

где оп - теплопроводность  материала опоры, т-теплопроводность композита.  При исследовании этой формулы обнаруживается, что независимо от теплопроводности опоры общая теплопроводность лимитируется теплопроводностью топлива. Общее сопротивление всегда будет определяться в основном наибольшим сопротивлением. Вот почему в опытах не замечено существенной разницы в увеличении скорости горения под опорами от материала опор. Кроме того, необходимо учитывать, что с повышением температуры теплопроводность смесевых топлив растет, а металла падает.  Поэтому  при нахождении  Тsм из  формулы  Ньютона- Рихмана вместо  к подставляем  т:

Тsм = Тг  - ( т\к)(дТs\дХ)  .

Коэффициент теплопередачи к при контактном теплообмене заимствован из работы Ю.П. Шлыкова ( Контактный теплообмен). Решая совместно уравнения теплопроводности и прочности, получаем значение местной скорости горения под опорой uм. Отношение uм/uо = n – это коэффициент увеличения местной скорости горения под опорой по сравнению со скоростью горения вне опоры.  Расчитанная величина n по предложенной методике отличается от экспериментальных данных лишь на несколько % для всех известных типов твердых топлив.

В этой же главе приводится анализ результатов испытаний натурных газогенераторов, где в ТГРТ в качестве основного наполнителя  использовался только А1 (т.к. он более газопроизводительный, чем Мg).  При таком  переходе  столкнулись с неожиданной  проблемой  сильных взрывов на стендовых испытаниях. Автору данной работы было поручено разобраться в  их причинах.  Известны  аналогичные явления в металлургии, когда  взаимодействовал  расплав А1 с водой. При этом происходило, по  мнению автора, насыщение А1 водородом до опасных пределов.  Этот процесс можно рассматривать как  активацию А1 водородом, т.е. получение раствора водорода в А1, композита, который может затем служить  как для получения водорода,  так и как энергоемкий материал.

Уотермейстер  и др. установили, что частицы  А1 плавятся на горящей поверхности капли и агломерируют.  При большом содержании А1 он может покрывать всю горящую поверхность топлива в виде расплавленного слоя.

  Выше (см. табл.1) установлено, что толщина расплавленного слоя и скорость его стекания  у А1 в несколько раз больше, чем у Мg.  При горизонтальном расположении газогенератора стекание естественно происходит на нижнюю стенку камеры сгорания и такое заполнение может распространяться вплоть до выходного отверстия камеры сгорания.

  При  взаимодействии металла с водой, особенно при повышенных температурах и давлениях, выделяющийся водород, по мнению автора, обязательно должен взаимодействовать с расплавом А1 до образования неустойчивых гидридов.

  С катастрофическими взрывами (подобными в ГГ на А1) металлурги столкнулись в 1957г. в условиях промышленного производства при ускоренном охлаждении расплава А1 при его вливании в резервуар с водой.  При этом разрушались здания литейных цехов как от взрыва динамита, и взрыв был слышен на расстоянии 5 км. Для выяснения и предотвращения подобных взрывов были проведены обширные исследования многими лабораториями  как у нас, так и за рубежом, но приемлемого толкования причин этого явления не было получено.

  Используя данные по растворимости водорода в расплаве А1 в условиях влажного пара, автор данной работы вывел формулу растворимости водорода в жидком А1 при повышенных температурах и давлении:

S=3,52·106Р ехр(-13170/Т),см3/100г А1,

где  Р – в атм, а  Т в К. На рис.5 представлены изотермы растворимости, подсчитанные по этой формуле. Если  на эти кривые нанести точки кипения А1 в зависимости от давления и провести  Рис.5. Изотермы растворимости водорода в А1 в зависимости от давления. .  через них кривую насыщения для А1, то область справа от нее – область возможной растворимости Н2 в жидком А1, а слева – область кипения, где растворимость водорода в

А1 вряд ли возможна.  Верхняя граница растворимости в основном будет  зависеть от скорости растворения водорода в А1, но вряд ли растворимость в жидком А1 может превысить уровень А1Н2, хотя известно соединение А1Н3. До какого предела растет растворимость Н2 в А1 при отсутствии кипения? Логично предположить два случая  - или  растворенный водород своим давлением разорвет межмолекулярные связи расплава А1,  переводя его практически в парообразное состояние (разрывая его на микронные частицы), или, следуя закону перехода количества  в качество,  можно получить при каком-то предельном растворении новое вещество, которое неустойчиво при данной температуре и давлении, т.е. оно взрывается сразу после своего образования. Известно ли такое соединение А1 с водородом? Известно.  Это А1Н, А1Н2. Время жизни таких гидридов, как установили П. Балтаян и О. Неделек, составляет 10-7 сек. (Взрывчатое вещество характеризуется временем жизни < 10-5 сек.). Если нанести на рис.5 на изотермы растворимости результаты горения А1 с дроблением по давлению и температуре для различных диаметров образцов по работе В.А. Чернова и А.В. Сухова, то все экспериментальные точки попадают в область образования гидрида А1: А1Н-А1Н2. Подтверждением образования А1Н служат спектроскопиические данные, приведенные в работе Похила П.Ф. и Фролова Ю.В. при давлении 5-10 атм, когда А1 сжигался в порохе Н,  но, к сожалению, этот результат не обсуждался в их работе.  Проанализируем этот результат.  При горении этого пороха выделяется до 20% паров воды, а диапазон давлений и  температур, при котором наблюдались на спектрограмме полосы А1Н, вполне соответст 

вует рис. 5. Убедительным подтверждением образования (при горении А1 в парах воды) сначала  А1Н, а потом уже окисла  А1203 является установленное на опытах весовое содержание А1 в полой оболочке окисла (после горения), равное  1/3 от начального веса А1 (Ч. Дрю, А.Гордон,  Р.Кнайп).  Ни в одной известной модели горения  А1 в парах воды это никак  не объясняется. Попробуем объяснить это теоретически, приняв нашу модель горе- ния за основу. Реакцию расплава А1 с парами воды  можно представить в виде:

А1+0,5 Н2О=А1Н  + 0,5 О,

  А1Н  =  А1  +  Н,

  А1+0,5 О =А10,333О0,5+ А10,667 

А1+0,5Н2О=А10,333О0,5+А10,667+Н,    

т.е. третья часть А1 идет непосредственно на образование полой окисной оболочки, а остальные две трети А1 после  распада А1Н окисляется вне оболочки из А12О3 в виде субдисперсной окиси, что и подтверждается экспериментом. 

Показатель в скорости горения при диаметре частицы составляет 1,5, а время начала дробления подчиняется квадратичному закону, что свойственно диффузии.  Когда скорость диффузии начинает превышать скорость горения, в образце начинается накопление водорода и при  достижении  им уровня  А1Н…А1Н2  происходит взрыв  образца.

  Отличие предложенной модели горения от общепринятой состоит в том, что раздувается  не только окисная пленка,  но и  слой металла под ней. Такая  модель горения позволяет понять устойчивость капли при любом состоянии окисной пленки и даже без нее в отсутствии дробления, резко очерченную зону горения и другие эффекты. Внутреннее  давление от  водорода помогает жидкому металлу лучше диффундировать через окисную пленку на поверхность горения, где он также взаимодействует с водородом с образованием неустойчивых гидридных соединений,  что существенно увеличивает скорость горения А1 в парах воды. При распространении этого процесса (с увеличением давления или температуры, или того и другого) на весь объем образца происходит его дробление, т.е. взрыв. 

  Модель образования неустойчивых соединений  типа  МеН,  когда водород эндотермически  поглощается металлом, позволяет объяснить такие явления, как избирательный перенос, водородный износ, поведение расплава  А1 при литье его в воду, повышение скорости сгорания А1 в детонационной волне и даже явление взрыва палладиевого электрода в опытах  М. Флейшмана и С. Понса. Данный процесс может быть использован для экологически чистой проходки тоннелей и в оборонной промышленности. 

  В главе четвертой описаны эксперименты по разработке энергетически активного водородонасыщенного алюминия. Автор ввел понятие неустойчивых гидридов для гидридов металлов, которые по общему мнению гидридов не образуют, а образуют только растворы водорода в данном металле.  Как показано выше, возможно насыщение такого металла до уровня хотя бы моногидрида,  который тут же распадается на начальные элементы и образует понятие неустойчивых гидридов. В данной главе исследуются гидриды А1 и Рd. Наиболее известным гидридом А1 является А1Н3, который из-за высокой химической активности и калорийности многие исследователи по горению металлизированных топлив пытались использовать его в качестве ракетного  топлива или  Таблица 4 – Энергетические данные гидридов А1.

гидрид

gAl,

%

gH

%

Т,

К

,

кг/м3

  Р, Мпа

С,

м/с

А1Н3

  90

10 

373

1718

1260

3891

А1Н2

93,1

6,9

2320

98,5

1938

9318

А1Н

96,4

3,6

2320

74,7

1469

9545

  Таблица 4 – Энергетические данные гидридов А1.

гидрид

gAl,

%

gH

%

Т,

К

,

кг/м3

  Р, Мпа

С,

м/с

А1Н3

  90

10 

373

1718

1260

3891

А1Н2

93,1

6,9

2320

98,5

1938

9318

А1Н

96,4

3,6

2320

74,7

1469

9545

хотя бы в виде добавки к нему.  Для него была подсчитана плотность водорода в его кристаллической решетке, давление Р этого водорода перед распадом А1Н3 и скорость разлета частиц С. Для сравнения эти же данные были рассчитаны для А1Н и А1Н2 ( табл. 4).

  В работе  А.Ф.Жигача и Д.С. Стесневича  сообщается о возможности получения А1Н3 прямым синтезом из элементов при 623К и Р=140…350 Мпа, однако экспериментальных данных, подтверждающих эту возможность не приводится.  В монографии Г. Алефельдля и И. Фёлькля приводятся другие параметры Р и Т для получения А1Н3, рассчитанные теоретически по термодинамическим данным:  РН = 2,8107Па  при Т = 77К  или Р = 5,7107Па при Т = 293К. Процесс  не удалось осуществить. 

Вероятно, причины неудач состояли в том, что все исследователи  А1Н3  пытались получить  его при весьма низких температурах,  надеясь получить его в устойчивой фазе и поэтому рассчитывали только на высокие давления и низкие температуры.

  В этой же главе автором проводится оценка энергетики взрывов А1. (Такая же оценка приведена для опытов Флейшмана и Понса для Pd). Одна из гипотез, которая рассматривалась при взрыве А1 - это взрыв гремучего газа в камере сгорания.  Определим энергетику такого взрыва. Предположим, что весь объем камеры сгорания заполнен смесью гремучего газа при наиболее оптимальном соотношении водорода и кислорода (1г-моль Н2 и  0,5 моля О2), т.е. 2 г водорода и 8 г кислорода. Из уравнения Клапейрона-Менделеева, зная объем камеры сгорания 12 дм3 и максимально допустимое давление в камере сгорания при разрывных болтах 70 кг/см2 и температуре в камере сгорания 2000 К находим массу гремучего газа – 40 г, что соответствует 538 кДж теплоты. Это почти в 13 раз слабее самого слабого взрыва (см. табл. 65). Следует заметить для сторонников взрыва гремучего газа, что самого свободного кислорода в процессе горения А1 в парах воды не существует. Результаты расчетов по энергетике взрывов с учетом силы отбрасывания корпуса  ГГ для нескольких испытаний приведены  в таблице 5.

Таблица 5  - Энергетика  испытаний с взрывным эффектом. 

№№ 

исп.

 

взр,

сек

L,

м

m,

кг

V,

м/с

Ек,

кДж

D,

м\с

1

11

100

187

184

3162

2

49

300

984

558

15,3104

3

52

400

577

749

16,2104

22470

4

130

150

577

285

2,34104

21003

 

  Самый слабый из зафиксированных взрывов дает величину работы метания Ек= 3162  кДж (отброс на 100 м массы 187 кг). Самый сильный из наблюдаемых взрывов при расчете дал величину работы метания 161700 кДж (отброс на 400 м  массы 577 кг). В последнем случае такую работу может произвести мгновенное сгорание 10,73 кг А1 в парах воды. А для мгновенного сгорания необходимо распылить мгновенно такое  же количество воды. Ни по воде, ни по А1 такие условия в камере сгорания не соблюдаются. С учетом толщины расплавленного слоя А1 на реакционной поверхности и ее размеров максимальная масса составит не более 2 кг А1. Чтобы мгновенно распылить хотя бы такое количество А1,1 необходимо его взрывное горение, что обсуждалось выше, т.е. необходимо согласиться с ускоренным образованием значительного количества гидрида А1 и его мгновенным распадом. При взрыве композит выбрасывался из камеры без видимых разрушений и загасал, т.е. не детонировал.

  К детонации, следовательно, можно отнести тот А1, который скапливается в камере сгорания и насыщается водородом до состояния А1Н. По нашим расчетам согласно конструкции к.с. вес А1Н перед взрывом  составил  425 г. Масса растворенного в нем водорода составляет 1/28 часть, т.е. 15,2 г. Если учесть, что в таком расплаве водород перед взрывом находился в виде протонного газа, то присоединяя электрон и рекомбинируя в молекулярный водород, на каждый г-атом получаем энергию 1520 кДж и соответственно для  15,2 г-а  23100 кДж. Это соответствует мощности исп. №4 (см. табл. 5). Если предположить вариант, когда перед взрывом расплав имел плотность 2 г/см3, то масса такого расплава составляет 2,55 кг  и водород в А1 в последний момент перед взрывом ( а это порядка 0,1 сек) мог диффундировать в количестве 6-9 раз больше предыдущего варианта, т.е. энергетика взрыва здесь увеличивается соответственно до 138600 - 207900 кДж.  Как раз в этом диапазоне находятся по энергетике исп.№2 и №3. Следует  добавить еще к энергетике взрыва окисление части распыленного А1 в парах воды. Как установили металлурги в своих опытах, % окисления был невысок и составлял всего 7-8%. Кстати, именно такой процент А1 добавляется во взрывчатые вещества для увеличения теплоты взрыва, а значит и фугасности, т.к. именно такой процент успевает сгореть во время действия взрыва. Следовательно, даже приняв по максимуму 2,55 кг А1, сгорит его всего 200г, а это значит добавка в 3000 кДж, что судя по исп.№3 составляет не более 2%, что еще раз подтверждает физическую модель взрыва расплава А1 в парах воды, принятую автором данной работы.

  Зная примерную массу взрывчатого вещества, можно по известной методике определить  скорость детонации: ,

где  - относительный вес ВВ:  ,

М - масса отбрасываемой матчасти и  m - масса ВВ принимаем в 2-х вариантах: 2,55кг и 0,425кг для исп. №3 и №4.  В первом случае D = 22470м/c, во втором -  D = 21003 м/с, т.е. полученные скорости детонации в несколько раз выше, чем у известных наиболее сильных ВВ. Результаты расчета приведены в таблице 65.

  При изучении причин взрывов в ВИЛСе при помощи рентгеновской скоростной киносъемки было установлено, что вода захватывается у дна изложницы, наполненной водой, расплавом А1 в виде «перевернутой вниз шляпки гриба» и  превращается в пар. В металлургической промышленности температура расплава в 2 раза ниже, чем в камере сгорания  соответствующих  газогенераторов.  Поэтому, чтобы образовать в поверхностном слое гидрид А1Н, необходимы давления в тысячи атмосфер.  Эти давления возникают в момент сцепления расплава  с дном изложницы. Если такого сцепления  нет, то, как показывает эксперимент, взрыва не происходит  (это  доказано экспериментально). В момент сцепления расплава с дном изложницы взрыв происходит из-за взрыва «паровой бомбы», образовавшейся  между расплавом и дном изложницы. Попробуем оценить энергетически эту гипотезу.  По геометрии, объем этой паровой бомбы  составляет примерно 1,5 дм3. Если принять мгновенное обращение в пар этого количества воды при 933 К (охлаждение в среднем на 190К), то при этом можно достигнуть давления ~ 470 Мпа и, соответственно, при этом работа расширения составит 2680 кДж. Это в 20 раз меньше, чем идет на дробление расплава А1 от  1 мкм до 5 мкм, а это всего лишь небольшая часть общей энергии взрыва.

Подобный эксперимент  в меньшем масштабе провели  Ю.В. Фролов  и Б.Е. Никольский, где расплав  А1 получали  из состава ТН и порошка АСД-1, расплавляемого этим составом.  При  взрыве установка сильно деформировалась,  а в камере не оставалось  ни воды, ни заряда. Как и  в металлургической промышленности, чтобы предотвратить  взрыв, авторы данных экспериментов дробили  струю расплава А1.  В металлургии  струю разбивали  решеткой,  нарушая ее целостность,  и взрыва не происходило. Здесь же авторы нарушали целостность струи  расплава А1  введением в состав  расплава  10-15% ТiН2.  Разложение  гидрида титана  вызывает разъединение  агломерата  А1, о чем говорят  пористые капли после испытания  d 5-30 мм.  Вероятно поэтому, т.е. из-за отсутствия расплава А1 и его насыщения водородом, А.А.  Шидловскому  не удалось  совершить  взрыв порошка  А1,  смоченного по стехиометрии с водой.

  В этой же главе описаны эксперименты, проведенные автором по насыщению А1 водородом в институте им. А.А. Бочвара в 1990г. при повышенных давлениях и температуре. Всего было проведено 4 испытания, последнее - со взрывом. Испытания были досрочно прекращены из-за отсутствия финансирования.

В 1991г. ВИЛС предоставил автору  для испытаний  установку УВ-1,  предназначенная предназначенную для работы с расплавом А1 до 1 кг. После испытаний в испытательном боксе были найдены капли А1 при различных стадиях насыщения  водородом.  После этих стадий наступает взрыв – в результате которого собран мелкодисперсный А1 и его окисел  размером 1-5 мкм.  По шумовому эффекту - был очень сильный взрыв. Почти полностью разрушены бронестекла,  индукционная печь.  Бронированная дверь  была сорвана с  двух  завинчивающихся запоров. Вышибная крыша камеры была полностью оторвана и деформирована, а вытяжная труба, прикрепленная к крыше, была смята. По замерам следов разрушения была определена энергия разрушения оргстекла ~ 120 кДж.

  Значительная энергия пошла на диспергирование расплава А1. Если суммировать всю учтенную нами энергию, то это составит  3760 кДж. Данный результат (см. таблицу 5) соизмерим с первым наиболее слабым взрывом при испытании газогенератора на А1. Видимо,  количество взорвавшегося А1 было эквивалентно этому испытанию.

  В этой же главе приводятся экспериментальные данные по насыщению водородом методом электролиза поверхностного слоя катодного стержня из алюминиевых сплавов. Это пытались сделать в 1989 г. М. Флейшман и С. Понс для получения «холодного термояда», используя в качестве катода Рd. Но получили, по мнению В.П. Смилги и А. Смолина, новую любопытную главу из физики неравновесных процессов гидридов металлов, с чем абсолютно согласен автор данной работы, так как на этот эффект ранее им была подана заявка  на открытие №1287 от 16.06.1986г.  и опубликованы  2  статьи,  в том числе в ДАН СССР.

Для изучения процесса выделения водорода в основном использовались образцы в виде  «сигары»  d = 17,7 и длиной 135мм с эффективной реакционной поверхностью S=  76см кв. и в виде цилиндра d 16 мм и длиной 25мм  и  S = 16,5см кв.

Газопроизводительность подсчитывалась по формуле: q = V/(tS) л/ м2 мин,

где  V – объем выделившегося водорода,  мл или л; t - время выделения  водорода, мин; S – реакционная  поверхность  образца, см2.

  Опыты проводились в обычной водопроводной воде.

 

  Рис. 6.  Экспериментальная  электролизная  ячейка (схема опыта).

Электролиз осуществлялся непосредственно от источника постоянного тока  U= 30в или от сети переменного тока в 220в через диод  Д245, в результате чего на расстоянии между электродами  40мм получали U эф. = 110 в и ток I = 200 –300 ма в зависимости от  размеров исследуемого образца.

  Газопроизводительность измерялась методом вытеснения воды из мерного цилиндра. Схема установки представлена на рис. 6.

  Замер температуры осуществлялся термометром с точностью 10 С. В опытах

  Использовалисьиспользовались, кроме  основного сплава Д16, образцы из  АД1м, сплав АП, сплав А1-Ga-In-Sn(ВАМИ), с увеличенной газопроизводительнос- тью. Результаты экспериментов показаны на рис. 7. Из представленных экспериментальных результатов наиболее интересны опыты, когда выделение водорода можно осуществлять в обычной  воде,  используя  инертный сплав Д16, активируя Рис.7. Изменение избыточной газопроизводительности его электрическим током,  например,  в

полученной  электролизной  активацией по времени.  течение 20мин. с плотностью тока 4ма/см2 и U =110в.  После этого процесс выделения водорода  идет непрерывно.

  При активации в течение более короткого промежутка времени процесс выделения водорода идет с постепенным ослаблением. Создавая различные режимы активации электрическим током, можно получать различные графики подачи водорода в сеть потребителя.  Как показали опыты, другие исследуемые материалы при исследуемых параметрах электролиза  активации почти не поддавались, т.е. при снятии напряжения выделение  водорода тут  же прекращалось или было незначительным. В работе В.П. Григорьева и соавторов  изучался дифференцэффект на А1 марки АД1-м, где получена газопроизводительность по водороду  0,005 мл/см2.мин при плотности тока 4 ма/см2. При такой же плотности тока  в наших  опытах на  сплаве Д16 было получено 0,066 мл/см2мин, т.е. в 13 раз выше. 

Этот сплав отличается от исследованных в этой работе, тем, что он содержит два основных элемента А1 и Cu, образующие неустойчивые  гидриды и микрогальванопары.  Этим условиям, т.е. наличие воды и подвод энергии извне,  и  соответствует в данном

случае  процесс электролиза воды с катодом из Д16. 

  Пятая глава посвящена практическому  использованию свойств ЭАВ в энергетике, экологии и на транспорте.

В районах Сибири находятся немало скважин газового конденсата, которые закупорены замерзшими гидратными пробками, представляющими собой смесь  газов и льда.  Самый простой способ размораживания - применение перегретого пара. Но для того, чтобы использовать перегретый пар,  необходимо как минимум иметь в нужном месте и в нужное время парогенератор, а для парогенератора воду и подвод достаточного количества энергии, что не всегда возможно. Кроме того, недостатком данного способа является то, что в скважине увеличивается  конденсат,  который  необходимо затем извлекать.

Варшавским И.Л. и автором данной работы предложены способ и устройство для удаления гидратных пробок с помощью ГРТТ торцевого горения в составе теплового газогенератора. Идея подтверждена экспериментами на стендах НИИ прикладной химии. Для испытаний использовался обычный лед. Наиболее эффективная конструкция газогенератора для плавления льда была предложена автором.  .  Рис.8.Варианты установок для плавления гидратных  пробок с помощью ЭАВ.

  Скорость плавления льда на испытаниях разных конструкций газогенератора составляла до 20мм/сек или 5литров льда на 1 кг состава.

Композиты из активных металлов могут также использоваться для снижения гидродинамического сопротивления (ГДС). Автором впервые проведены подтверждающие испытания и сделана попытка теоретически обосновать полученные результаты при рассмо- 

трении химического взаимодействия материала корпуса водного объекта с окружающей средой  (водой),  когда за счет  окисления металла  в воде образует водород, служащий газовой смазкой. 

Были проведены испытания на двух видах образцов разной формы и при одинаковой геометрии: образец пассивный и образец активированного А1. Результаты прямого замера силы F (ГДС) в функции скорости набегающего потока воды приведен на рис. 10,3 и, сделан пересчет степени снижения сопротивления R в зависимости  от приведенного расхода вдуваемого в пограничный слой газа (водорода) Сq.

Интересное явление, что отражено на рис.13 10 и появляется в определенном диапазоне скоростей на пассивном образце:  явно чувствуются колебания образца  по величине ГДС, а на активном образце они отсутствуют во всем исследованном диапазоне, что может иметь  важное прикладное значение. На пассивном образце 1 после 7м/с турбулентный режим постепенно сходит на нет, что можно объяснить гидроэрозионным и кавитационым эффектами, 

Рис. 9. Схема экспериментальной установки: 1- прозрачный корпус из оргстекла, 2- шкала перемещений, 3- обтекатель, 4-шток, 5-кронштейн, пружина динамометра, 7- образец (сплошная линия – «сигара», пунктир-цилиндрический образец).

в результате которых происходит частичное разрушение окисной пленки и чистый алюминий (без защитной окисной пленки) при взаимодействии с водой начинает выделять в небольших количествах водород, снижающий ГДС, что так же может иметь важное прикладной прикладное значение. Автором выведены простые универса-  льные зависимости, описывающие снижение  ГДС от параметров газонасыщенного слоя при различных скоростях и поддувах газа в погранич-

Рис. 10. Результаты прямого замера гидравлического сопротивлении образцов в зависимости от скорости  набегающего потока воды. 1-пассивный цилиндрический образец,  2- активированный А1-цилиндр; 3- «сигара» - нейтральный; 4-«сигара»-активированный  А1.

ных скоростях и поддувахный слой (ПС) и спрогнозирована величина химического газонасыщения  для модельных испытаний. Проведенные  испытания выявили  очень небольшие потребные расходы для  при химическом  газонасыщении  ПС  для снижения  ГДС.

В этой  же главе приведены экспериментальные результаты автора по генерации  водорода при окислении А1 и его сплавов, в том числе и разработанных автором, в различной воде по Рн.

 

  Рис.11.  Зависимость газопроизводительности от состава воды. 5Нд – сплав ВАМИ №5 с дистиллированной вводой,  5НвК- тот же сплав  на воде  с РН =4,2;  5НвТ – на воде с РН = 8;  1Кд –сплав А1+4% Cu  с дистиллированной водой ,  МЭИ- д - сплав МЭИ с дистиллированной  водой.

 

  Для начального эксперимента был взят сплав ВАМИ  №5 следующего состава:Ga 3%,  In  3%, Zn  1%, Sn  0,5%, Mg 0,5% .  Эксперимент  был  проведен на  дистиллированной воде. Температура воды  15-200С. Замер водорода проводился методом вытеснения воды из мерного цилиндра с точностью до 2,5 мл. по времени.  Образец перед испытанием не обрабатывался. Перед этим он хранился в бумажном негерметичном пакете 15 лет при обычных комнатных условиях.  Тем не менее, при  взаимодействии образца с водой реакция  пошла сразу. Полнота выделения водорода составила 88%.  Температура воды при этом повысилась  с 17,9 до 18,6 0С. 

Следующее испытание с этим же образцом проведено на водопроводной воде с РН =4,2. На этой воде  обнаружено снижение скорости газовыделения q  в 3,5 раза. Для сравнения  на том же  образце были проведены испытания на воде с РН =8. Газопроизводительность на этой воде оказалась в 2 раза выше, чем на воде с РН =4,2. Результаты этих испытаний приведены на  рис.11. На этом же рисунке приведены испытания на сплаве МЭИ (А1 с 0,6%  Gа) и  сплаве  А1 с 4% Cu (изготовленный специально для этих испытаний) тоже на дистиллированной воде. Серия испытаний показала значительную зависимость  газовыделения водорода от состава воды.

  Взаимодействие  А1 и его сплавов со слабым раствором щелочей.

  Чтобы не зависеть на испытаниях от состава воды,  специально каждый раз приготовлялся свежий раствор  0,1Н  NаОН  в дистиллированной воде. Первые испытания были проведены  на  чистом А1 марки  АД00 (стружка), на гранулированном А1 ЧДА (изготовление  август 2000г.- гарантийный срок хранения  3 года – хранился в негерметичном полиэтиленовом пакете  при комнатных условиях), А1 листовой электротехнический (изготовление июнь 1988 г.) толщиной 0,5 мм.  Наиболее интенсивное газовыделение наблюдалось  на последнем образце, и выделение водорода началось сразу же. Чуть похуже реакция шла со стружкой.  Гранулы А1 в среднем имели толщину 3,5 мм и диаметр  12 мм. Выделение водорода началось только через 19 минут и скорость выделения была настолько мала по сравнению с предыдущими  образцами, что во время опыта пришлось повышать температуру от 15 до 50 град.С.  При этом скорость газовыделения увеличилась почти на два порядка (см. рис.12). Задача автора в данной серии экспериментов состояла в получении и испытании  А1-ых сплавов, которые корродировали бы с наибольшим эффектом с выделением водорода. Для этого автором были заказаны сплавы на основе А1 с добавками меди, магния, цинка и железа, которые увеличивают коррозию  А1 и исключающие  стабилизирующие  добавки  - Mn, Ti, Ni , содержащиеся в Д16.  Составы заказанных сплавов по последовательности их изготовления и  испытания (см. их нумерацию) приведены  в табл. 6. Для сравнения на растворе такой же концентрации был испытан сплав Д16, тоже в виде стружки.

Таблица 6 -  Весовой состав сплавов, % 

№ сплава

  А1

  Cu

Mg 

  Zn

Fe

1

96

  4

  -

  -

  -

2

99

  1

  -

  -

  -

3

  94,5

  4

  1,5 

  -

  -

4

  90,5

  4

  1,5

4

  -

5

92

  4

-

4

  -

6

89

  4

-

4

Реакционная поверхность  оценивалась через

№ сплава

  А1

  Cu

Mg 

  Zn

Fe

1

96

  4

  -

  -

  -

2

99

  1

  -

  -

  -

3

  94,5

  4

  1,5 

  -

  -

4

  90,5

  4

  1,5

4

  -

5

92

  4

-

4

  -

6

89

  4

-

4

вес образца, удельный вес сплава и толщину стружки. Результаты испытаний представлены на рис.12. Как видно из представленных результатов испытаний, самым газопроизводи-

тельным оказался  сплав  №1. На этом сплаве был проведен отдельный опыт, где концентрация раствора щелочи была сниже--

  Рис. 12. Газопроизводительность по водороду для различных А1-ых сплавов  в растворе 0,1 Н NaОН.  Экспериментальные кривые 1-5 соответствуют сплавам приведенным в таблице №6. Кривая 1-0,05 соответствует сплаву №1 испытанному в растворе 0,05Н NаОН,  8 – сплав Д16,  6 – стружка А1 марки АД00,  7 – листовой электротехнический А1, 9 - А1  ЧДА в гранулах, испытанный в диапазоне температур 15-  50 град. С.  Результат по образцу №6 на графике не приводится, чтобы не загромождать соседние кривые – он проходит ровно между результатами образцов №1 и№5.

ция раствора щелочи была снижена на в 2 раза. Интересен также опыт, где процент меди в сплаве был  уменьшен до 1% (концентрация раствора как и на большинстве испытаний 0,1Н NаОН).

  В начале и в конце каждого испытания образец сплава  взвешивался и по разности массы находилось теоретическое значение  объема водорода и сравнивалось с тем, которое получалось в эксперименте.  После каждого испытания образец тщательно высушивался.

  На всех экспериментах полнота выделения водорода была близка к 100%, за исключением Д16, где она составила 87%.  Анализируя результаты экспериментов, можно  заметить, что полученные зависимости четко разделяются на две группы: группа сплавов А1-Сu  с повышенной газопроизводительностью от  3,5 л/м2.мин (сплав №1) до 0,9 л/м2.мин (сплав №2) и группа чистого А1 от  0,02 л/м2.мин (пластины электротехнического А10) до 0,01 л/м2.мин (гранулированный  А1), т.е наблюдаемая разница на два порядка при одной и той же температуре (15-20 град. С).

  Как показали испытания, уменьшение  содержания  меди в сплаве  с 4% до 1% примерно во столько же раз снижает газопроизводительность. Уменьшение концентрации раствора щелочи в два раза приводит к тройному уменьшению газопроизводительности, т.е. на одном и том же составе можно в широких пределах регулировать величину газопроизводительности за счет концентрации  и температуры раствора.

В процессе  этой серии экспериментов пассивации образцов не было выявлено, что и должно быть, так как в  подобных  растворах  щелочь с окисной пленкой образует растворимый в воде  тетрагидроксоалюминат натрия.  Особенностью экспериментов является идеальное изготовление заказанных сплавов, когда стружка корродировала настолько равномерно, что оставалась гладкой и после опыта – никаких следов язвенной, питтинговой, растрескивающейся коррозии не было обнаружено.

Взаимодействие образцов А1 с In и  Gа с различной водой.

  Были испытаны образцы с содержанием In  3%  и Gа  3% в сплаве с А1, изготовлен -ные в ВАМИ  15 лет назад. Тем интереснее были результаты по газопроизводительности  после столь длительного хранения в обычных комнатных условиях в бумажном, негерме -тичном пакете.  В нашем распоряжении оказалось шесть образцов, весовой состав которых по содержанию различных добавок приведен в таблице  №7. Указанная таблица  совмещена с рис.13, где приводятся результаты по замеру газопроизводительности на 6-ти различных составах на дистиллированной и водопроводной воде. 

 

Рис. 13. Газопроизводительность по водороду сплавов ВАМИ в воде ( вод. – водопроводная вода,  дист. - дистиллированная вода).

  Из анализа этих результатов  явно просматривается тенденция пассивации даже очень активных в начале  опытов образцов на водопроводной воде (см. сплав №1) и в тоже время не очень активные сплавы №5, №6 и №2 в дистиллированной воде – чем больше время испытания, тем выше их активность. Самый слабый по газовыделению сплав №3 больше всего перегружен добавками Zn и Mg, которые подавляют коррозию основных добавок, что нежелательно.  Сплав №2, который от сплава №3 отличается меньшим содержанием олова (вместо 0,5%  здесь  всего 0,1%). Даже в дистиллированной  воде «молчал» 30 минут, прежде чем началось выделение водорода.  Из этой серии испытаний можно сделать вывод, что присутствие цинка наряду с более активными по коррозии металлами нежелательно. И с точки зрения экологии он нежелателен, т.к. в любом цинке еще и содержится свинец. 

  В этой же главе анализируются возможности создания автомобиля на водородном топливе. Из анализа, имеющейся в литературе информации, можно заключить, что создаваемые  автомобили имеют водородный бак с жидким водородом, который сжигается в цилиндрах двигателя, или перед турбиной, или в топливных элементах, вырабатываемый ток подается на электродвигатель, осуществляя  движение транспортного средства. Их прототипом послужили ранние попытки создать автомобильный двигатель на водородном топливе, предпринятые И.Л. Варшавским еще в 1975г.

  Автором в 2004 г. получен патент на сплав на основе А1 для генерирования водорода, способ его получения и газогенератор водорода. Схема такого газогенератора приведена на рис. 14. И при активном участии автора была осуществлена в виде действующего макета в МГИУ.  Рис. 14.Схема газогенератора водорода. 1- корпус газогенератора Аналогичная схема генератора 

2- ресивер, 3- кран  слива воды,  4- насос, 5- пластины А1.  может быть применима  в любой

  установке  промышленной теплоэнергетики.

  Шлиф такого сплава алюминия и сухой щелочи под микроскопом  представляет Аналогичная схема генератора может быть применима  в любой установке 

Рис. 14.Схема газогенератора водорода. 1- корпус газогенератора  промышленной теплоэнергетики.

2- ресивер, 3- кран  слива воды,  4- насос, 5- пластины А1.

Шлиф такого сплава алюминия и сухой щелочи под микроскопом  представляет мелкозернистую структуру (цветная фотография шлифа приведена в самой диссертации).

  Эти же пластины по предложению автора в МГИУ были изготовлены методом прессования стружки сплава АМг-6 с 4% NаОН (цветная фотография шлифа с этого прессованного образца также приводится в самой диссертации). 

Сравнительная  газопроизводительность различных составов по водороду приведена на рис. 15.

 

  Рис.15. . Сравнительные характеристики по газопроизводительности для различных образцов. ВАМИ- образцы ВАМИ с In и Ga при взаимодействии с водопроводной водой, №1- 4% Сu с А1 в растворе 0,1  Н NaОН; 3,5,6 – прессованные образцы(стружка АМг-6 с NaОН) при взаимодейставии с обычной водопроводной водой; 3,5,6- номера прессованных образцов.

 

Образец № 6 взят за основу проектирования мобильного газогенератора, где расчетная толщина пластин из активированного А1 должна быть 3-5 мм (ширина пластин 20-40 мм, длина пластин 100-200 мм). Создан демонстрационный образец источника энергии, включающий генератор водорода и энергетическую установку. 

Расчетное сравнение весо-габаритных характеристик  предлагаемого генератора водорода для осуществления принципа автомобиля на водороде без водорода на борту с различными системами подачи водорода на пробег 400 км приведено в таблице 8. 

Как видно из результатов сравнения  всех систем питания автомобиля водородом, самым приемлемым является газогенератор на активированном А1.

  Таблица 8 – Сравнительные весогабаритные  характеристики различных топливных систем питания для автомобиля на водороде  на пробег 400 км.

В этой же главе приводятся изобретения, не упомянутые выше, с использованием водородогенерирующих материалов,  предложенные автором: Способ очистки водоемов от сероводорода,  тепловой дирижабль и т.п.

  ОСНОВНЫЕ  РЕЗУЛЬТАТЫ  И ВЫВОДЫ:

Проведены фундаментальные исследования по разработке научных основ получения и промышленного использования водородогенерирующих композитов на основе активных энергоаккумулирующих веществ.

1. Теоретически выявлена неустойчивость горения топлив из чистых активных металлов, связанных с толщиной прогретого слоя и скоростью его стекания. Показана целесообразность использования топливных композитов, создающих незначительную толщину прогретого слоя.

2. Теоретически определено и экспериментально подтверждено оптимальное отношение аэродинамических сил к гравитационным,  показывающее, при каких размерах конденсированных  частиц не происходит их оседания на стенки камеры.  Разработана математическая модель перемещения частиц разного диаметра по горизонтали и вертикали в зависимости от давления в камере,  позволяющая выявить полноту сгорания активных частиц, не осевших и осевших на стенку камеры сгорания. Экспериментально подтверждено, что опытные точки, характеризующие недогорание, лежат близко к теоретической зависимости.

3. Выявлено теоретически и подтверждено экспериментом, что при сгорании активных металлов в парах воды полнота сгорания зависит от соотношения длины камеры к ее диаметру. Создана математическая модель зашлаковки камеры сгорания для струйного и центробежного распыла воды при неподвижном заряде. Показано, что для центробежного распыла зашлаковка в два раза превышает зашлаковку при струйном распыле воды.

4.  Экспериментально установлено, что создание постоянной длины зоны горения и смешения в газогенераторе, выполненное конструктивно с опорой горящего торца твердого топлива на неразрушаемую опору, приводит к  увеличению скорости горения под опорой.  Теоретически доказано, что увеличение скорости горения под опорой зависит от теплового разрушения прогретого слоя и напрямую связано с начальной прочностью состава и его её изменении изменением от температуры. Для подавления увеличения скорости горения под опорой необходимо применять охлаждаемые опоры. Автором разработана и предложена их конструкция.

5.Экспериментально установлено, что при переходе с магниевых топлив на алюминиевые увеличивается опасность взрывной работы газогенератора водорода, где окислителем служит вода. Исследованиями автора установлена причина взрывной работы газогенератора водорода (образование неустойчивых соединений А1Н-А1Н2). Для предотвращения взрывов расплава А1 в парах воды необходимо осуществлять безопасные режимы его горения. Для выбора таких режимов  автором разработаны и предложены номограммы.

6.Теоретически и экспериментально доказана жизнеспособность разработанной теории поведения  алюминия при сгорании в парах воды, на основе которой могут быть созданы эффективные и безопасные образцы техники, перспективные вещества класса ЭАВ на основе алюминия. Теоретически и экспериментально исследованы свойства гидридов А1, выявлена природа взрывных явлений при насыщении А1 водородом до состояния А1Н.

7. С позиций этой теории пересмотрены воззрения на результаты испытаний различных авторов по горению А1 в парах воды и взрывным эффектам А1 и Рd, объяснена их истинная природа. Теоретические и экспериментальные результаты автора позволили уточнить некоторые недостаточно обоснованные гипотезы иностранных исследователей.

8. Экпериментальной  работой автора доказано, что водородонасыщенный алюминий можно получать не только за счет повышенных давлений и температуры в присутствии паров воды, но и с помощью электролиза в обычной воде на сплаве А1-Сu. Выявлено значительное последействие выделения водорода и после  отключения электрического тока при электролизе, зависящее от природы сплава. Экспериментально показано, что, создавая различные режимы активации электрическим током под специально разработанные катоды,  можно получать различные графики подачи водорода в сеть потребителя. Это открывает возможности создавать электролизеры для получения водорода с меньшими затратами энергии, а также  использовать это  явление  для разработки эффективных и  экологически безопасных  транспортных двигателей.

9. Экспериментально и теоретически подтверждена возможность снижения  гидравлического сопротивления (в несколько раз) при движении различных объектов в водной среде с помощью ЭАВ,  выделяющими выделяющих при соприкосновении с водой водород. Экспериментально получено снижение в 2 раза.

10. Проведенные эксперименты, обоснованные автором, доказали возможность плавления льда, где это необходимо, и гидратных пробок в условиях крайнего Севера, при использовании твердого  гидрореагирующего топлива в соответствующих устройствах, предложенных автором. На испытаниях, которые были проведены впервые в мировой практике, при таком способе плавления льда достигнута скорость плавления 20 мм/c. 

11. Автором созданы специальные сплавы и композиты на основе А1 для получения водорода при взаимодействии их со слабощелочной и дистиллированной водой. Получена экспериментальная зависимость газопроизводительности от температуры,  состава воды и рецептуры сплава. При повышении температуры от 20 0С до 50 0С увеличивалась скорость выделения водорода в 10 раз. Данное явление позволяет осуществить регулирование газоприхода в реальных установках в широких пределах.

12. На прессованных образцах по технологии,  предложенной автором,  получена газопроизводительность в 6 раз выше, чем на образцах содержащих дорогие редкоземельные металлы (индий и галлий).

13. Проанализированы зарубежные и отечественные попытки создания водородного газогенератора  и предложен вариант конструкции водородного газогенератора с учетом полученных автором результатов исследований для автомобиля класса «Жигули», не меняющий объемы ни пассажирского, ни багажного его отделений. 

14. На примере нескольких изобретений автора показано возможное использование водородогенерирующих композитов для различных, в том числе и для оборонных отраслей техники, в мобильных и стационарных системах, вырабатывающих газообразное топливо для питания ДВС, турбин и других устройств и установок. Это открывает широкие перспективы внедрения водородной энергетики в промышленность, в частности в промышленной теплоэнергетике.

15. Ряд Научные научных и производственныхе организацийи (НПО «Регион»,  завод «Дагдизель»,  ЦАГИ,  ИВТАН РАН,  МГИУ) используют теоретические и экспериментальные наработки автора для практических целей.

  ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1.Терещук В.С.,Демпт Е.В., Ивашков В.П., Селектор Л.Г., Постовский Д.И., Семенова Ю.И., Сидорова И.М., Шайхеев А.В., Чекушкина В.В., Антонов  В.М., Волков Ю.К., Сапега Л.Г. ГРТТ. Авт. свид.  №34243 от 07.07.1966.

2. Терещук В.С., Раков Е.Д., Кузнецов А.К. Алешин Е.А., Шелякин Ю.П., Евдокушкин А.В. Григораш Л.А., Гущин В.Г. Газогенератор водорода на твердом топливе. Авт.свид. 66764 СССР от 02.11.1972.

3. Терещук В.С. Ракетный двигатель на водородном топливе. Авт.свид. №118883 СССР от 02.08.1978.

4. Терещук В.С., Мозговой А.П. Устройство непрерывного замера тяги 2-х режимного двигателя на ТГРТТ. Авт.свид. 124744 СССР от 05.02.79г. 

5. Терещук В.С. Новая модель горения водородогенериерующего топлива под опорой // Боеприпасы». 1979, № 6.

6. Терещук В.С. Камера сгорания газогенератора. Авт.свид. №136654 от 06.11.79г.

7. Терещук В.С. О влиянии конструктивных параметров на газопроизводительность газогенератора водорода // Вопросы спецмашиностроения, серия 3, №12, 1980г.

8. Терещук В.С. Исследование газопроизводительности 2-х режимного водородного газогенератора. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. ЦНИИХМ, 1981г. инв.41977.  .  9.  Терещук В.С., Дубенец С.А., Мяндин А.Ф., Токарев В.Е. Реактивный двигатель на водородогенерерующем топливе. Авт.свид.  166730 СССР от 01.12.1981. 10. Терещук В.С., Власов Б.Н.  Комбинированная камера сгорания на водородогенерирующем топливе. Авт. свид.  202740 СССР от 28.04. 84г.

11. Терещук В.С., Мозговой А.П., Тюрин В.В., Дубенец С.А. Газогенератор водорода. Авт.свид.  159944  СССР от 02.06.81г.

12. Терещук В.С., Базыкин В.Ф., Дубенец С.А. Газогенератор водорода. Авт. свид. 195509 от 01.12.1983. 

13. Терещук В.С., Мозговой А.П., Кузнецов В.А., Тюрин В.В.,Волков В.Т. Устройство непрерывного замера газопроизводительности водородного газогенератора. Авт.свид. 3186075 СССР от 01.04.83г.

14. Терещук  В.С., Кузнецов В.А., Мяндин А.Ф.,Дубенец С.А. Пульсирующий всеглубинный подводный аппарат на водородогенерирующем топливе. Авт. свид. № 196232 от 05.12.83г.

15. Терещук В.С., Петрунькин С.А., Машинистов В.А., Пляшкевич Л.Д., Никулин В.К. Глубоководный аппарат.. Авт.свид. №272002, 1986г.

16. Терещук В.С. Причины взрывного горения А1 в парах воды // Боеприпасы , №10, 1986г.

17. Терещук В.С., Уваров Г.В., Костров М.Ф., Булатов Е.А., Бакшилов А.П., Панев А.Н.  Газогенератор на водородогенерирующем топливе с форсажной камерой  I –го режима на ГРТТ, А.с. 270071 СССР.

18. Бармин В.П., Варшавский И.Л., Терещук В.С. Способ снижения гидродинамического сопротивления движущегося объекта в водной среде с помощью водородогенерирующего материала. Авт.свид.№1624880, 1988г.

19.  Терещук В.С., Варшавский И.Л., Баргамов  М.Г., Соловьев В.О. Способ изменения аэростатической подъемной силы теплового водородного дирижабля. Авт. свид. № 86781. 

20.  Терещук В.С. О возможных причинах фрагментации горящих частиц А1, ДАН СССР, том 312, №5, 1990г. – С. 1122-1125. 21.Терещук В.С., Варшавский И.Л., Козин Л.Ф., Сахаренко В.А. Композиционный материал на основе А1 для получения водорода.  Авт.свид. №1591510 от 08.05.90г.

22. Терещук В.С., Варшавский И.Л., Максименко А.И. Способ очистки  природных водоемов от сероводорода с помощью водородогенериркющего материала. Ппатент 2123476 РФ от 20.12. 1998.

23. Терещук В.С. Снижение гидродинамического сопротивления водородогенерирующими материалами.  Сборник научных докладов  II Международного совещания по использованию ЭАВ в экологии, машиностроении, энергетике и на транспорте.- М.. ИМАШ , 2001г. -  С. 134-142. 

24. Терещук В.С. Активация пассивных А1 сплавов в водопроводной воде зарядом электрического тока для получения водорода. Сборник научных докладов III международного совещания по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте.- Москва. ИМАШ РАН, 2002г.- С. 456- 467. 

25. Терещук В.С.  Сплав на основе А1 для генерирования водорода, способ его получения и газогенератор водорода.  Патент 2253606  РФ от 10.06.2005г. 2005.  26.  Терещук В.С.  Генерация водорода при окислении А1 в воде. Сборник научных докладов IV Международного совещания по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте.- Москва, ИМАШ РАН. 2004г. – С.158-177. 27.  Терещук В.С., Есьман В.И., Козляков В.В., Казновский С.П.. Водородное аккумулирование энергии на АЭС для наработки водорода в качестве топлива для автотранспорта. Журнал «Интеграл» №4(24), июль-август 2005г.- С.26-32.

28. Терещук В.С., Есьман В.И., Козляков В.В., Казновский С.П.. Энерго-аккумуляция энергии на АЭС в период суточных, недельных и сезонных снижений графиков нагрузки для наработки водорода в качестве топлива для автоттранспорта.Доклад на I-ой Международной конференции «Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов».- М. 2005г.

29. Терещук В.С., Есьман В.И., .Козляков В.В. Водород и альтернативная  энергетика, доклад на II-ой Междунардной конференции «Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов».- Москва. 2006г.

30. Терещук. В.С,.,. Козляков В.В., Синев А.В., Кочетов О.С., Козлякова О.В. и др. Производство электроэнергии из растворенного сероводорода в водоемах с использованием технологии топливных элементов. Доклады на 7-ой специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения – диверсирфикация ОПК».- Москва, 2006г.- С. 155-159.

31. Терещук В.С., Есьман В.И., Козляков В.В, Раков Д.Л., Разработка технологии получении водорода на основе активированных алюминиевых композитов без редкоземельных металлов для применения в энергетике и на транспорте. Доклады на 7-ой специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения – диверсирфикация ОПК».- Москва, 2006г.- С. 144-149.

32. Терещук В.С. Особенности взаимодействия расплава А1 с водой. Сборник научных докладов V Международного совещания по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте.- Москва.  ИМАШ РАН, 2006.

33. Терещук В.С. Проблемы охлаждения расплава алюминия в воде // Машиностроение и инженерное образование. №2(11),  2007г.- С.2-11. 

34. Терещук В.С. Снижение гидравлического сопротивления  водородогенерирующими материалами // Вестник машиностроения, №2,  2008г С.20-24.

35. Терещук В.С. Материаловедческие основы создания автомобиля на водородном топливе. Журнал «Автомобильная промышленность». 2008г.№3. С.22-24.

36. Терещук В.С.  Решение теплоконтактной задачи разрушения композита под нагрузкой // «Материаловедение», №1, 2009 г. С.60-64.

376. Терещук В.С., Субботин В.И., Баранов Ю.В., Есьман В.И., Демин В.А., Козляков В.В., Субич В.Н., Шестаков Н.А., Шляпин А.Д., Хайри А.Х. Технологии водородной энергетики на основе применения энергоаккумулирующих веществ // Интеграл. 2008г. №5(часть I-я). С.32-34,.

3837. Терещук В.С., Субботин В.И., Баранов Ю.В., Есьман В.И., Демин В.А., Козляков В.В., Субич В.Н., Шестаков Н.А., Шляпин А.Д., Хайри А.Х. Технологии водородной энергетики на основе применения энергоаккумулирующих веществ // «Интеграл». 2008г. №6(часть II-я). С.24-26.

38. Терещук В.С.  Решение теплоконтактной задачи разрушения композита под нагрузкой // «Материаловедение», №1, 2009 г. С.60-64.

 

  Типография ИМАШРАН г.Москва, М.Харитоньевский пер.4

  Зак.№284 от 24.12.2009 Усл.-печ. л.2,75 тир.100 экз.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.