Основы пиротехники (стр. 16 )

Qs-= 0,002— 0,003, (6.2) Ts

где Qs — теплота плавления в ккал/г-атом;

7's—температура плавления в К.

Однако зависимость эта оправдывается с достаточной точностью далеко не для всех простых веществ.

Зяачение Qs для многих неорганических соединений может быть приближенно вычислено по эмпирической формуле

Q^=0,002n (в кДж 0,008га), (6.3) Ts

где п — число атомов в молекуле соединения.

Скрытая теплота испарения вещества уменьшается с повышением температуры.

Для воды теплота испарения составляет при 100° С 9,7 ккал/ моль i(39,6 кДж/моль).

Зависимость между теплотой кипения Qn в ккал/моль (кДж/моль) и температурой кипения жидкости Гк в К выражается формулой Трутона:

Qк-=0,02 ккал (0,08 кДж). (6.4)

'к

Для многих (в особенности высококипящих) неорганических соединений Ок может быть с большей точностью, чем по формуле Трутона, вычислена по эмпирической формуле, предложенной автором:

Qк

-------- = 0,011*n ккал/моль

Tк

Очевидно, теплота испарения (кипения) соединений значительно больше теплоты их плавления.

Максимальную температуру горения вычисляют по формуле

t = Q - E (Qs + Qk) / E Cp

где Q—теплота горения;

E Ср — сумма теплоемкостей продуктов горения;

E(Qs+Qk.)—сумма скрытых теплот плавления и кипения

продуктов горения.

Пример 3. Вычислить максимальную температуру пламени состава красного огня, содержащего 65% КСlOз, 20% SrСОз и 15 % C13H12O2 (идитола).

Реакция горения приближенно может быть выражена уравнением

7,1 КС10з+ l,8SrC03+C13H1202=7,l KC1 +1,85гСОз+ +6Н20 пар+4,ЗС02+8,7СО.

Расчет теплоты горения ведется в ккал (1 ккал =4,11186 кДж) с использованием закона Гесса

Ниже приводится теплота образования начальных и конечных продуктов реакции; теплота образования идитола принята равной 0,74 ккал/г.

Для Н20 пар. .... 6.57,4=344

Для СО2 ...... 4,3.94=404

Для СО2 ...... 8,7-26=22б

Для КСl. . . . 7,1.106=752

--------------------------------------

.................................1726 ккал

Для C13H1202 . . . 0,74.200=148

Для КСlOз..... 7,1.96=682

-----------------------------

.................................803 ккал

Количество тепла, выделяющееся при горении, равно 1726—830=896 ккал.

Теплоемкость Ср газов и водяного пара в интервале О—1500° С (см. табл. 6.7) равна:

для Н2О. ....... 6.9,5=57,0

для С02. . . . . . . . 4,3.11,9=51,2

для СО. . . . . . . . 8,7.7,5=65,2

-------------------------------------------

173,4

Теплоемкость KC1 и SrСОз принимаем равной соответственно 12,8 и 32,0 кал/град моль и суммируем Отсюда

12,8*7,1=90,9

32,0 1,8=57,6

------------------------

148,5

и окончательно

E Ср= 173,44-148,5=321,9 кал/град,

откуда

t=567*1000 / 321,9 = 1760 C

Если бы мы приняли во внимание частично протекающую в пламени термическую диссоциацию: SrCO3=SrO+CO2, то при расчете получили бы значение температуры порядка 1600° С.

Аналогичным методом был проведен расчет [23] для стехиомегрической смеси (WОз+2А1) и сделан вывод, что температура горения не должна превышать температуру кипения Аl2Оз, т. е. должна быть равной примерно 3000° С.

Необходимо еще раз отметить, что если температура горения превышает 2000—2500° С, то данные, полученные расчетным путем, являются лишь ориентировочными, а потому могут быть полезными только при сравнении между собой составов, резко обличающихся по своему рецепту.

Для ракетных топлив требуется высокая точность расчета температуры горения и других характеристик процессов горения. В этом случае для вычисления температуры горения выполняются весьма трудоемкие расчеты, при которых учитываются процессы термической диссоциации и испарения продуктов грения. Исходные данные для таких расчетов имеются в справочнике [86].

§ 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Температура горения большинства пламенных пиоосоставов лежит в пределах 2000—3000° С.

Измерение температуры пламени таких составов проводится чаще всего при помощи оптических методов.

Основанием для применения их служит предпосылка, что излучение пламени следует (хотя бы приближенно) законам излучения абсолютно черного тела (АЧТ).

В этом случае излучение должно подчиняться:

1) закону Стефана —Больцмана

Е=сТ 4

Е — общая энергия излучения;

с — постоянная величина 5,73- Ю-12 Вт/(см2 • град);

Т — абсолютная температура в К;

2) закону смещения Вина

A max T=2884,

если A mах измеряется в микрометрах;

На самом же деле излучение пламени пиротехнических составов по своему характеру в известной степени отличается от излучения АЧТ, имеющего непрерывный спектр.

Присутствие в пламени раскаленных твердых или жидких частиц обусловливает наличие непрерывного спектра. Но наряду с этим. некоторые вещества, находящиеся в пламени в газообразном состоянии, дают прерывистый .спектр (линейчатый иля полосатый). Таким образом, пламя пиросоставов имеет в большинстве случаев непрерывный спектр излучения с наложенным на него прерывистым спектром излучения газовой фазы. Сравнительная интенсивность непрерывного и прерывистого спектров зависит в перьую очередь от температуры пламени и количественного соотношения в нем твердой и газовой фазы.

Из сказанного следует, что при измерении температуры пламени оптическим пирометром в большинстве случаев можно получить лишь ее приближенную оценку (для белых пламен погрешность составляет примерно от ±50 до ± 100° С).

Наиболее доступны методы измерения яркостной и цветной температуры пламени. Яркостная температура Тя — это температура АЧТ, при которой яркость пламени для Х=0,665 мкм равна яркости исследуемого излучателя для той же длины волны.

Цветная температура Тц—это температура АЧТ, при которой цветность его. излучения одинакова 'с цветностью исследуемого излучателя. В этом случае интенсивность излучения АЧТ для двух различных длин волн A1. и A2равна интенсивности излучения данного физического тела при тех же длинах волн. Экспериментальное определение цветной температуры тела сводится к определению отношения интенсивностей излучения для

K= E A1/ E A2

двух различных длин волн и последующему нахождению по таблице температуры, при которой для АЧТ отношение интенсивностей излучения для длин волн A1 и A2 равно К.

Tипы оптических пирометров

Пирометр с исчезающей нитью представляет собой визуальный фотометр, в котором яркость света, излучаемого исследуемым телом (пламенем), измеряется путем сравнения его с яркостью стандартного раскаленного тела (нити лампочки) при одной и той же эффективной длине волны (A =0,665 мкм).

К и н о ф о т спирометр — это обычный киноаппарат, снабженный красным светофильтром (А=0,б65 мкм) и набором ленточных ламп, устанавливаемых рядом с измеряемым объектом.

В основу этого метода измерения температуры положен принцип фотографирования пламени в собственном свете; при этом пламена с более высокой температурой дадут на фотопленке

Рис. 6.1. Данные о температуре пламени, полученные с помощью кинофотопирометра:

а.—изменение температуры во времени;

б— изменение температуры по высоте пламени;

в—график температурных полей

большие плотности почернения, чем пламена с более низкой температурой. Фотографируя одновременно с пламенем ленточные лампы с известной температурой, получаем на кинокадре плотности почернения s для известных температур.

Для пиротехников этот метод представляет особый интерес, так как. с его помощью можно определять температуру в различных участках пламени, а также. фиксировать изменение температуры во времени (рис. 6.1).

Фотоэлектрический. пирометр ФЭП-0,65 представляет собой вариант оптического пирометра, разработанного специально для измерения температуры пиротехнических пламен с фиксацией данных измерения на осциллографе. С помощью ФЭП-0,65 измеряют среднюю яркостную температуру и излуча-тельную способность пламени (количество энергии оп. ределенной длины волны, излучаемое с единицы поверхности тела в единицу времени при температуре T ).

Цветной пирометр (краоно-синего отношения) представляет собой регистрирующий люксметр, измеряющий интенсивность излучения в красной и синей части спектра одновременно Наиболее распространенный вариант конструкции (рис. 6 2) - блок из двух фотоэлементов, перед которыми установлен вращающийся диск ,с двумя рядами отверстий; на одном ряду отверстий укреплены светофильтры (красный A=0,685 мкм и синий A=045.6 мкм) Фотоэлементы установлены таким образом, что луч одновременно попадает на оба фотоэлемента. Фотоэлемент без светофильтра служит для внесения поправки на изменение светового потока за время перемещения светофильтров.

Рис. 6.2. Схема цветового пирометра:

/-вращающийся диск; 2-светофильтр: 3-фотоэлемент:

4-электродвигатель; 5-выводы контактов; 6-корпус;

7—осциллограф

Цветную температуру. можно определить также спектральным методом по сплошному спектру, используя те его участки, где нет наложенных та него полос и линий Описание методов измерения температуры пламен дается в работах [44, 68 ).

Температура пламени может быть также определена методом обращения спектральных линий. Установка для измерения температуры факела пламени конденсированных систем этим методом описана в монографии (68].

Значительно более точно, чем температура пламени, оптическим пирометром определяется температура раскаленного твердого или жидкого шлака, образующегося при горении.

Вртенберг определил оптическим методом температуру льющейся струи железоалюминиевого термита равной 2400±50 C. Эггерт, Эдер и Джиобек измерили интенсивность излучения магниевых пламен в различных частях спектра и на основании этого вычислили «цветную температуру» пламени: