Физические процессы, протекающие при сжигании порошка титана в среде азота, и разработка на их основе технологии вакуумирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат технических наук Лысенко, Андрей Леонидович

• Лысенко, Андрей Леонидович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лысенко, Андрей Леонидович

Введение.

Глава 1. Физические процессы, происходящие при переносе вещества, энергии и импульса.

1.1. Диффузионная транспортировка вещества. Одномерный диффузионный перенос вещества. Первый закон Фика.

1.2. Транспортировка вещества в трехмерном пространстве. Второй закон Фика

1.3. Безразмерные диффузионные критерии.

1.4. Понятие о диффузионном пограничном слое. Тройная аналогия.

1.5. Транспортное уравнение теплопроводности Фурье.

1.6. Коэффициент теплопроводности.

1.7. Уравнение теплопроводности для трехмерного температурного поля.

1.8. Безразмерные комплексы для оценки процессов теплопроводности.

1.9. Транспортные уравнения переноса импульса.

1.10.Транспортные уравнения переноса импульса Ньютона.

1.11.Транспортировка импульса в трехмерном пространстве.".

Выводы по первой главе

Глава 2. Теоретические основы транспортно-кинетических процессов при горении титана в азоте и техника эксперимента.

2.1. Диффузионная аналогия энерготехнологических процессов.

2.2. Кинетическая аналогия энерготехнологических процессов.

2.3. Энерготехнологическая интерпретация аналогии Рейнольдса.

2.4. Энерготехнологические координаты.

2.5. Параметры и безразмерные комплексы, обобщающие энерготехнологические процессы.

2.6. Физическая интерпретация энерготехнологических координат.

2.7. Безразмерный параметр Т.

2.8. Безразмерная величина энерготехнологической эффективности.

2.9. Безразмерный комплекс Ф.

2.10. Разрушение твердых тел.

2.11. Энерготехнологическая интерпретация числа Re.

2.12. Кинетика импульса.

2.13. Экспериментально-теоретические исходные данные по горению титана в азоте для вакуумиоования систем.

J Стр.

2.15. Исходные данные по горению пластин в сухом азоте.

2.16. Постановка задач, определяющих конструкцию экспериментальной установки.

2.16.1. Конструкция экспериментальной установки.

2.16.2. Исходные данные по горению пластин во влажном азоте.

2.17. Техника эксперимента.

2.18. Работоспособность устройства после длительного хранения.

2.19. Структура и прочность образцов.

2.20. Исходные данные при максимальной загрузке газопоглотительного устройства.

2.21. Состав газа в реакторе после горения.

2.22. Оценка качества титанового порошка.

Выводы по второй главе.

Глава 3. Экспериментальные исследования транспортно-кинетических процессов при горении титана в азоте.

3.1. Исследования с целью оптимизации транспортно-кинетических процессов при изменении формы образцов титана (форма сплошных цилиндров).

3.2. Исследование с целью оптимизации транспортно-кинетических процессов при изменении формы образцов титана (формы втулок).

3.3. Сравнение результатов транспортно-кинетических процессов при изменении формы образцов титана.

3.4. Оптимизация стадии транспортно-кинетических процессов в момент инициирования процесса газопоглощения.

3.5. Влияние места инициирования на характеристики транспортно-кинетических процессов.

3.6. Влияние конфигурации расположения воспламенительных таблеток на характеристики транспортно-кинетического процесса.

3.7. Использование быстрогорящих лент на стадии процесса транспортировки (распространения) фронта горения.

3.8. Определение параметров кинетического процесса горения титана в азоте.

3.9. Анализ транспортного (диффузионного) процесса горения титана в азоте.

3.10. Анализ кинетического процесса горения.

3.11. Оценка качества макрокинетического процесса применительно к разомкнутым системам.

Выводы по третьей главе

Глава 4. Применение и исследование температурного режима газопоглотительного устройства.

4.1. Модернизация экспериментальной установки для исследования транспортировки энергии от газопоглотительного устройства.

4.2. Температурное поле и характеристики процесса транспортировки тепловой энергии.

4.3. Оптимизация теплоизоляции газопоглотительного устройства.

4.4. Отработка конструкции теплоизоляции.

4.5. Оптимальная конструкция изоляции.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физические процессы, протекающие при сжигании порошка титана в среде азота, и разработка на их основе технологии вакуумирования»

Вакуумирование - технологический процесс, который используется в различных отраслях промышленности. В качестве технологических систем вакууми-рования в зависимости от назначения используют вакуумные механические насосы, компрессоры (турбоэксгаустеры), эжекгорные системы с использованием в качестве рабочей среды воды, пара или газа.

Для транспортных лазерных установок, например, в составе систем вакуу-мирования используются компрессоры серийных авиадвигателей доработанных для решения соответствующих задач [1]. При этом служебные качества таких систем вакуумирования зависят от решения задач по минимальным массогабарит-ным размерам (с учетом потребляемых энергоресурсов) и готовности ввода в действие.

Актуальность темы. Физические процессы, протекающие при высоких температурах при взаимодействии азота с титаном, вызывают особый интерес в связи с необходимостью отработки процесса горения порошка титана для технологии вакуумирования в компактных мобильных установках. Технологический высокотемпературный физико-химический процесс включает инициирование и горение титана в среде азота.

Использование порошка титана для компактных систем вакуумирования обеспечивает технологическому процессу спектр служебных свойств, из которых необходимо выделить: отсутствие энергозатрат от посторонних источников, минимальные массогабаритные характеристики технологического оборудования, незначительное выделение в вакуумируемую среду посторонних примесей, надежность функционирования в течении длительного времени.

В отечественных и зарубежных научных публикациях технология горения (окисления) титана рассматривается в основном с позиции пожаробезопасности. Отечественные исследования достаточно подробно обобщены в научно-техническом сборнике «Авиационные материалы и технологии» [1]. Авторы публикации отмечают, что постановка и решение задач по пожаробезопасности зависит в основном от изучения двух факторов: инициации (самовозгорания)' и кинетики горения титана.

При исследовании служебных свойств титанового порошка применительно к технологии вакуумирования в настоящей диссертационной работе впервые рассматривается и обосновывается комплексный энерготехнологический процесс, который включает: предварительное прессование порошка титана до нормируемой плотности в таблетки, транспортировку азота и кинетику регулирования титана с азотом в зоне горения, газовыделение адсорбированных газов, коагуляция расплавленных частичек титана, изменение структуры прессованных таблеток, изменение прочностных свойств таблеток титана и их долговечность.

Постановка и рассмотрение перечисленных в комплексе задач в литературных источниках отсутствует. Это определяет актуальность проблемы, решение которой представлено в настоящей диссертационной работе.

Цель диссертации. Исследование физических процессов, протекающих при взаимодействии титана с азотом в условиях высокотемпературного синтеза, разработка на этой основе технологии комплексного транспортно-кинетического процесса горения титанового порошка в азоте и создание на этой основе опытного технологического оборудования для компактных мобильных систем вакуумирова-ния.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

• разработка математической модели транспортно-кинетического процесса горения титанового порошка в азоте;

• создание экспериментальной установки для определения кинетических зависимостей горения титана;

• разработка методики и определение параметров кинетического процесса горения титана в азоте;

• разработка теоретических зависимостей макрокинетического процесса применительно к замкнутым и разомкнутым промышленным системам;

• отработка теплоизоляции модели газопоглотительного промышленного устройства.

Научная новизна:

1. Впервые на основе математической модели изучен энерготехнологический процесс горения прессованного порошка титана в азоте. Научно обоснованна и исследована применительно к промышленным требованиям технология вакуумирования на базе сжигания элементов из порошка титана в азотной среде.

2. Теоретически обоснованны и экспериментально подтверждены оптимальные параметры технологии вакуумирования замкнутых систем объемом 0,07 м3 за время менее 100 с до давления 50 кПа при сжигании элементов из порошка титана в среде азота.

3. Впервые экспериментально определены константы скорости кинетического процесса вакуумирования замкнутых систем при сжигании порошка титана в среде азота.

4. Теоретически обоснованны и экспериментально достигнуты оптимальные параметры исходных прессованных элементов из титанового порошка. Показано, что плотность этих прессованных титановых элементов должна составлять 1500 - 2000 кг/м3.

5. Экспериментально определено, что при отжиге (Т=750°С,Т=1ч) титановых элементов с плотностью 1650 кг/м3 прочность образцов увеличивается в 2,5 раза, что обеспечивает при промышленном использовании длительность хранения при эксплуатационных условиях.

Научная достоверность результатов работы основана на экспериментальных данных полученных на модельных технологических установках, которые согласуются с теоретическими оценками. Достоверность данных обусловлена применением апробированных методик измерений, повторяемостью результатов многократных экспериментов и проверкой разработанной технологии в условиях приближенных к промышленным.

Практическая значимость.

1. Разработана новая технология вакуумирования и предложена к внедрению в компактных мобильных систем.

2. Новая технология вакуумирования характеризуется минимальными массо-габаритными характеристиками, отсутствием внешних энергоисточников и надежностью функционирования при многократном разовом использовании после длительного хранения в режиме готовности, что является определяющим для внедрения в компактных мобильных системах.

3. Разработано модельное устройство с требуемыми характеристиками, которое многократно прошло опытные испытания максимально приближенные к промышленным.

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных и научно-технических конференциях в т.ч. на международной конференции "Экологические проблемы утилизации АПЛ и развитие ядерной энергетики в регионе", 2003г., Владивосток; International Conference on Maritime Technology JCMT 2007, 2007, Taipei, Taiwan.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 работах, которые представлены в списке литературы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (64 наименования), приложения.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Лысенко, Андрей Леонидович

Общие выводы и заключение

В данной диссертационной работе изучены физические процессы, протекающие при горении титана в среде азота, на основе чего представлена новая технология вакуумирования для компактных мобильных систем.

Получены следующие основные результаты, подтверждающие научную новизну работы и ее практическую значимость.

1. Разработана и экспериментально подтверждена математическая модель физического процесса горения порошка титана в среде азота в вакуумируемом объеме.

2. Теоретически обоснована и экспериментально определена константа скорости процесса вакуумирования замкнутых, герметичных систем, которая составляет К«0,1с"1.

3. Экспериментально определены оптимальные параметры технологии вакуумирования замкнутых систем объемом 0.07 м3 за время менее 100 с в диапазоне давлений от 100 до 50 кПа.

4. Результаты выполненных исследований позволяют установить параметры для новой технологии вакуумирования:

- для обеспечения параметров транспортировки (диффузии) азота через сгоревший титан необходимо иметь строго определенный гранулометрический состав титанового порошка: остаток на сите 0,045 - 85%, проход через сито 0,28 - 100%, насыпная плотность исходного порошка - 800 кг/м3;

- плотность титанового порошка в прессованных таблетках должна составлять 1500-2000 кг/м3.

5. Установлено, что для обеспечения долговременного функционирования мобильных систем необходимо обеспечить дегазацию и прочностные свойства прессованных титановых элементов, для чего экспериментально определена технология отжига, обеспечивающая увеличение прочности титановых таблеток в 2,5 раза термообработкой при Т=750°С, г» 1ч.

6. Новая технология обеспечивает многократное разовое вакуумирование герметичной мобильной системы, что экспериментально подтверждено при испытании технологического устройства в условиях, моделирующих реальный процесс.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лысенко, Андрей Леонидович, 2008 год

1. Абианц В.Х. Теория авиационных газовых турбин. - М: Машиностроение, 1979. -246 с.

2. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. Б.А. Введенский, Б.М. Вул. М.: Советская энциклопедия, 1966. - Т. 5. - 576 с.

3. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976. - 888 с.

4. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов и поиске оптимальных решений. М.: Наука, 1971. - 283 с.

5. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен.-М.: Мир, 1990.-Т.1.-384 с; Т.2.-392 с.

6. Термогазодинамика пожаров в помещениях / В.М. Астапенко, Ю.А. Кошмаров, И.С. Молчадский, А.Н. Шевляков. М.: Стройиздат, 1986. - 370с.

7. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. -М.: Наука, 1982.-392 с.

8. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука, 1984.-520 с.

9. Березин В.И., Клесов А.А. Практический курс химической и ферментативной динетики. М.: Изд. МГУ, 1976. - 320 с.

10. Васенин И.М., Рынков А.Д. Численное решение задачи о смешанном осесиммет-ричном течении газа в некоторых криволинейных областях методом установления // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. -1971. № 1. - С.155-159.

11. Гухман А.А. Введение в теорию подобия. М.: Высшая школа, 1968. -254 с.

12. Давыдов Ю.М., Скотников В.П. Метод крупных частиц: вопросы аппроксимации, схемной вязкости и устойчивости. М.: ВЦ АН СССР, 1978. - 72 с.

13. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: Госэнергоиздат, 1962. -671 с.

14. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: Энергия, 1974. - 592 с.

15. Дельмон Б. Кинетика гетерогенных реакций. М.: Мир, 1972. - 554 с.

16. Дьячков В.И. Высокотемпературное окисление циркония в атмосфере водяного пара // Прикладная химия. 1991. - №10. - С.2029-2036.

17. Зайдель АН. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974. - 108 с.

18. Еремин Е.Н. Основы химической кинетики. М.: Высшая школа, 1976. - 374 с.

19. Костецкий Б.И., Носовский И.Г. Надежность и долговечность машин. Киев: Техника, 1975.-408 с.

20. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мелихова.

21. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

22. Левин В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физ.-мат. литература, 1959. -699 с.

23. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. - 848 с.

24. Лошкарев В.А., Никитин А.Т. Теплозащитные покрытия в динамике сплошных сред. Ростов на Дону: Изд. Ростовского государственного университета, 1982. -256 с.

25. Лошкарев В.А. Диагностика пристенных пограничных слоев на поверхности абли-рующих материалов // ТВТ. 1985. - Т.31, №3. - С.418-425.

26. Таблицы физических величин / Под ред И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. -1005 с.

27. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1989. -608 с.

28. Налимов В.В. Теория эксперимента. -М.: Наука, 1971.-283 с.

29. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 148 с.

30. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Численные методы газовой динамики. М.: Высшая школа, 1987.-232 с.

31. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. Л.: Машиностроение, 1976. - 502 с.

32. Ривкин СЛ. Термодинамические свойства газов: Справочник. М.: Энергоиздат, 1987.-288 с.

33. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие. Л.: Химия, 1982. - 592 с.

34. Рынков А. Д. Математическое моделирование газодинамических процессов в каналах и соплах. М.: Наука, 1988. - 222 с.

35. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. М.: Мир, 1991. -Т. 1 -504 е.; Т.2.-552 с.

36. Численное решение многомерных задач газовой динамики / Под ред. С.К. Годунова. М: Наука, 1976.-400 с.

37. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. - 712 с.

38. Эммануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М.: Высшая школа, 1974.-400 с.

39. Радиационные свойства газов при высоких температурах / В.А.Каменщиков, Ю.А. Пластинин, В.М. Николаев, Л.А. Новицкий. М.: Машиностроение, 1971. -440 с.

40. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.:1. Атомиздат, 1962. 320 с.

41. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. -М.: Изд. иностранной литературы, 1963.-415 с.

42. Карслой Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел: Пер. с английского. М.: Мир, 1964.-545 с.

43. Термодинамические свойства неорганических веществ: Справочник / Под ред. А.П. Зефирова. М.: Атомиздат, 1965. -460 с.

44. Венер Р. Термохимические расчеты: Пер. с английского. М.: Изд-во иностранной литературы, 1950. - 217 с.

45. Гурвич A.M., Шаулов Ю.Х. Термодинамические исследования методом взрыва и расчеты процессов горения. М.: Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова, 1955. - 310 с.

46. Кубашевский О., Эванс Э. Термохимия и металлургия. М.: Изд-во иностранной литературы, 1954. - 360 с.

47. Кинджери В.Д. Измерение при высоких температурах. М.: Металлургиздат, 1963.-243 с.

48. Мотт Б.В. Испытание на твердость микровыдавливанием. М.: Металлургиздат, 1960.-228 с.

49. Герцрикен С.Д., Дехтяр И.Я. Диффузия в металлах в твердой фазе. М.: Физмат-издат, 1960.-410 с.

50. Еременко В.Н. Титан и его сплавы. Киев: Изд-во АН УССР, 1960. - 368 с.

51. Липсон Г., Стипл Г. Интеграция порошковых рентгенограмм / Под ред. академика Н.В. Белова. М.: Мир, 1972. - 438 с.

52. Испытание материалов: Справочник: Пер. с немецкого / Под ред. X. Блюменау-эра. М.: Металлургия, 1979. - 286 с.

53. Шаталов В.К., Буланов А.В., Лысенко А.Л. Физическая интерпретация энерготехнологических координат // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000 - С.18.

54. Шаталов В.К., Лысенко А.Л. Параметры и безразмерные комплексы, обобщающие энерготехнологические комплексы // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000. - С. 25.

55. Лысенко А.Л., Горбунов Е.А., Горбунов А.К. б -энтропия и скорость создания сообщений без предвосхищения и с прогнозом // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - С.18.

56. Лысенко А.Л., Горбунов А.К., Горбунов Е.А. Вычисление энтропии с экстраполяцией гауссовского сообщения // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004, С. 24.

57. Лысенко Л.В., Буланов А.В., Лысенко А.Л Оценка кинетики энерготехнологических процессов // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. С. 46.

58. Философия кинетики / Л.В. Лысенко, А.В. Буланов, А.Л. Лысенко, В.А. Шишкин // Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. С.151.

59. Lisenko A., Shatalov V., Lisenko S. Energy-Technological Processes in Elements of Marine Engineering // International Conference on Maritime Technology. Taipei, 2007. -P. 123-128.

60. Теоретические основы логистических, финансовых, транспортно-кинетических процессов / В.И. Воронов, Е.А. Горбунов, А.Л. Лысенко и др. // Вестник Государственного университета управления. 2007. - №7. - С.139-149.

61. Кинетика роста толщины оксидных пленок на титане / В.К. Шаталов, С.Е. Степанов, А.Л. Лысенко, В.В. Травин // Коррозия: материалы, защита. 2008. - №10.-С. 42-44.

62. Физико-химические процессы в технологии вакуумировнаия при сжигании порошка титана в среде азота / А.Л. Лысенко, А.К. Горбунов, В.В. Грачев, А.В. Буланов // Наукоемкие технологии. 2008. - Т. 9, №10. - С. 25-31.