устройство для определения предельных режимов горения образцов материалов в условиях подавления естественной конвекции

Формула изобретения

Устройство для определения предельных режимов горения образцов материалов в условиях подавления естественной конвекции, содержащее реакционную камеру, исследуемый образец, поджигающее устройство, отличающееся тем, что реакционная камера с механизмом перемещения установлена вертикально, выполнена цилиндрической, заглушена с нижнего торца, а в верхней части сообщается с заполненной газовой смесью герметичной емкостью, в которой расположены над камерой соосно с ней съемная защитная крышка, поджигающее устройство и закрепленный на цилиндрическом держателе с механизмом перемещения поджигаемый с нижнего торца образец, встречно с реакционной камерой вертикальное движение которого осуществляется с помощью одного из механизмов перемещения или обоих вместе, причем зазор между стенками камеры и образцом выбирается таким образом, чтобы отсутствовало горение у боковой поверхности образца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам пожаробезопасности на космических летательных аппаратах (КЛА).

В условиях микрогравитации, близких к невесомости, при перегрузках g/g_o = 10^-3 - 10^-6 практически отсутствует влияние естественной конвекции на процессы возгорания, горения и потухания материалов. В этом случае горение материалов может поддерживаться лишь за счет вынужденной конвекции, вызванной работой бортовой системы вентиляции, при скоростях обдува, превышающих предельное значение для данного материала. Для проектирования надежной системы тушения очагов возгорания в обогащенной кислородом атмосфере отсеков КЛА необходимы экспериментальные данные о величинах предельной скорости обдува для различных значений концентрации кислорода в условиях, моделирующих невесомость.

Известна установка [1] для определения кислородного индекса - минимальной концентрации кислорода в потоке кислородно-азотной смеси, при которой возможно горение материала. Основным элементом установки является вертикально установленная реакционная камера, представляющая собой термостойкую прозрачную трубу, на дне которой имеется устройство для создания равномерного потока кислородно-азотной смеси. Испытуемый образец устанавливается с помощью держателя в вертикальном положении по оси трубы и поджигается по верхней торцевой поверхности. Однако в этом случае наблюдается свечное горение, при котором одним из основных механизмов доставки кислорода в зону горения является естественная конвекция.

Состояние микрогравитации почти полностью моделируется на стендах со свободно падающей камерой в так называемых "башнях невесомости" [2]. Это дорогостоящие сооружения, продолжительность эксперимента в них не превышает нескольких секунд, что бывает недостаточно для определения характеристик предельных режимов газофазного горения коксующихся материалов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является экспериментальная установка [3] , в которой влияние естественной конвекции на процесс горения в значительной степени ослаблено путем размещения горящего образца в газовом слое ограниченной толщины, движущемся в горизонтальном направлении.

Исследование горения в этой установке проводится в горизонтально расположенной реакционной камере прямоугольного сечения с небольшим расстоянием между ее нижней и верхней стенками, что уменьшает размер высокотемпературной области пламени и соответственно число Грасгофа, характеризующее относительную эффективность подъемной силы, вызывающей естественно - конвективное движение среды. В горизонтально расположенном газовом слое характерный размер пламени определяется расстоянием между нижней и верхней стенками реакционной камеры. Недостатком данной установки является небольшой размер образца, толщина которого не превышает 1 - 2 мм. Это затрудняет подробное исследование процесса горения, особенно образцов материалов с крупной структурой, и не позволяет исследовать влияние масштабного фактора, а также начального теплового состояния образца.

Цель изобретения состоит в том, чтобы в условиях, когда влиянием естественной конвекции можно пренебречь, исследовать характеристики горения материалов с использованием образцов достаточно больших размеров и тем самым повысить точность и надежность данных о величине предельной для поддержания процесса горения образца скорости обдува в условиях микрогравитации.

В предлагаемом изобретении этот результат достигается тем, что реакционная камера с механизмом перемещения установлена вертикально, выполнена цилиндрической, заглушена с нижнего торца, а в верхней части сообщается с заполненной газовой смесью герметичной емкостью, в которой расположены над камерой соосно с ней съемная защитная крышка, поджигающее устройство и закрепленный на цилиндрическом держателе с механизмом перемещения поджигаемый с нижнего торца образец, встречное с реакционной камерой вертикальное движение которого осуществляется с помощью одного из механизмов перемещения или обоих вместе, причем зазор между стенками камеры и образцом выбирается таким образом, чтобы отсутствовало горение у боковой поверхности образца.

На чертеже представлена схема предлагаемой установки.

Установка состоит из герметичной емкости 1, вертикально расположенной цилиндрической реакционной камеры 2, закрытой снизу и сообщающейся с емкостью 1 в верхней части, образца исследуемого материала 3, закрепленного на вертикальном цилиндрическом держателе 4, поджигающего устройства 5, механизмов перемещения 6 для камеры и держателя с образцом, съемной защитной крышки 7, вакуумного насоса 8 и системы заполнения 9 емкости с камерой кислородно-азотной смесью из баллонов. Установка снабжена системой измерения 10.

Работа установки происходит следующим образом. Образец 3 закрепляется на вертикальном держателе 4 вне реакционной камеры 2 в герметичной емкости 1 над поджигающим устройством 5. Герметичная емкость 1 вместе с реакционной камерой 2 вакуумируются с помощью насоса 8, после чего заполняются до требуемого давления кислородно-азотной смесью с заданной концентрацией кислорода. Камера 2 закрывается защитной крышкой 7 для сохранения в ней исходного состава газовой смеси при зажигании в емкости 1 образца 3 с нижнего торца поджигающим устройством 5. После поджига образца 3 крышка 7 и поджигающее устройство 5 отодвигаются в сторону от оси установки и с помощью одного из механизмов 6 или обоих вместе осуществляется встречное перемещение с введением образца 3 с заданной скоростью в реакционную камеру 2. В результате взаимного перемещения образца 3 и реакционной камеры 2 происходит обдув образца, горящего с нижнего торца, газовой смесью с заданной концентрацией кислорода.

С помощью оптической и другой измерительной аппаратуры производится исследование процесса горения и определяются предельные значения скорости обдува для различных концентраций кислорода в условиях, при которых влиянием естественной конвекции на процесс горения можно пренебречь.

Более эффективное подавление естественной конвекции в предлагаемой установке по сравнению с прототипом [3] объясняется следующим образом.

При наличии близкорасположенных боковых стенок реакционной камеры горение образца происходит только со стороны нижнего торца, на небольшом расстоянии от которого формируется плоский фронт пламени. В натекающем на него за счет взаимного перемещения камеры и образца потоке прогретой излучением и теплопроводностью от фронта пламени окислительной газовой смеси градиент температуры направлен навстречу вектору силы тяжести, что приводит практически к полному подавлению естественной конвекции в области перед фронтом пламени. Естественная конвекция может возникнуть только в слое, расположенном между фронтом пламени и нижним торцем образца, где направления градиента температуры и силы тяжести совпадают. Однако толщина этого слоя, являющаяся определяющим параметром при вычислении числа Грасгофа, невелика по сравнению с поперечным размером реакционной камеры, используемым при определении числа Грасгофа для горизонтально расположенного канала [3]. Этим обстоятельством обосновывается возможность проведения исследования характеристик процесса горения материалов в условиях, имитирующих невесомость, с использованием образцов, имеющих поперечный размер на порядок больше допустимого на установке, описанной в работе [3].

Результаты экспериментов, проведенных на опытной установке с использованием круглых образцов диаметром 4-16 мм при диаметре реакционной камеры 20 мм, концентрации кислорода 21% и скорости относительного движения образца от 0,5 до 5 см/с подтвердили эффективность подавления естественной конвекции. Полученные данные согласуются с результатами экспериментов в условиях микрогравитации на КЛА.

Источники информации.

1. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. ГОСТ 12.1.044-89.

2. Microgravity Combustion Science: Progress, Plans and Opportunities. - NASA Technical Memorandum 105410, Microgravity Combustion Group, Lewis Research Center, April 1992.

3. Мелихов A. C. , Никитенко И.Н. и Штепа А.В. Исследование процесса тления материалов. Горение конденсированных систем (химическая физика процессов горения и взрыва). Материалы 11 Всесоюзного симпозиума по горению и взрыва. Суздаль, 19-24 ноября 1989, c.110.