Сухе пальне

1. Сухе пальне, що виконане у формі спресованої таблетки і складається з уротропіну або з уротропіну з добавками, яке відрізняється тим, що густина ρ спресованої таблетки сухого пального з уротропіну або з уротропіну з добавками визначається за формулою: r = (0,90 ¸ 1,40 ) - 0,002 / a , де а є відношення висоти таблетки H до її діаметра d, a = H / d . 2 3 25198 підведення кисню ззовні, через зовнішню поверхню таблетки у вн утрішні зони. При нагріванні вуглецю за рахунок горіння аміаку до температури вище 300-500°С він загоряється і горить з виділенням СО2 і СО: С+О2®СО2+409МДж/міль 2С+О2®2СО+246,6МДж/2 молі. При горінні вуглецю самої хімічної реакції передує процес підведення кисню до реагуючої поверхні. Отже, процес горіння вуглецю є складним гетерогенним фізико-хімічним процесом, що складається з двох стадій: підвода кисню до поверхні палива турбулентною і молекулярною дифузією і хімічною реакцією на ній. За рахунок горіння аміаку в першій стадії горіння уротропіну в таблетках, створюється достатньо висока температура, при цьому швидкість хімічної реакції горіння (окислення) вуглецю настільки зростає, що транспортуючий дифузією через зовнішню поверхню кисень миттєво вступає в хімічну реакцію. Швидкість реакції окислення вуглецю визначається швидкістю дифузії кисню до реакційної поверхні, тому цей режим горіння називається дифузійним. Для інтенсифікації процесу горіння вуглецю необхідно усилити дифузію кисню. В нашому конкретному випадку інтенсифікація процесу горіння вуглецевої складової уротропіну, а отже, і сухого пального в цілому може бути досягнутий раціональною організацією об'ємної внутрішньої поверхні пресованої таблетки уротропіну. Найближчим, до технічного рішення, що заявляється, є «Бездимне тверде пальне» [патент РФ 2263136 від 2005.10.27]. Запропонована корисна модель відноситься до горючих речовин, які стійко згоряють при атмосферному тиску на повітрі в нагрівальних пристроях для приготування і розігрівання їжі в похідних умовах. Склад пального включає 90-97% уротропіну і інше парафін. При горінні цього пального забезпечується синергетичний ефект, а саме усунення каркасної вуглецевої плівки на поверхні конденсуючої фази і досягнення прозорості полум'я з утворенням нешкідливих газоподібних продуктів згоряння. В умовах застосування склад забезпечує необхідну е фективність В цьому те хнічному рішенні при спалюванні таблеток із змістом парафіну від 3 до 10% забезпечується відсутність вуглецевого каркаса на поверхні горіння і прозорість полум'я в газовій фазі, а при спалюванні таблеток з вмістом парафіну в складі менше 3% не забезпечується повністю усунення вуглецевої плівки на поверхню горіння таблетки, а при спалюванні таблеток із змістом парафіну більше 10% помічено полум'я, що коптить. Визначенням ефективності пропонованого складу в умовах застосування, у тому числі і в зимових умовах, показано, що таблетки стабільно згоряють без кіптяви і відсутності каркасної плівки на поверхні горіння таблеток. Полум'я прозоре, що свідчить про повноту згоряє пропонованого складу. В основу пропонованого технічного рішення поставлена задача по удосконаленню складу сухого пального, яке виконане у формі спресованої таблетки і складається з уротропіну або з уротропіну з добавками, відмінне тим, що густина r спре 4 сованої таблетки сухого пального з уротропіну або з уротропіну з добавками визначається по формулі r=(0,90¸1,40)-0,002/а, де а є відношення висоти таблетки до її діаметра, при цьому як добавки сухе пальне додатково містить парафін в кількості 0,32,9% вагових, або крейду в кількості 0,3-15% вагових, або гіпс в кількості 0,3-15% вагових або додатково містить поєднання перерахованих речовин в кількості 0,3-15% вагових. Окрім цього, спресована таблетка є формою паралелепіпеда. Автор вважає, що ефект основних показників, які характеризують процес горіння, залежить не тільки від складу сухого пального (це може бути уротропін в чистому вигляді, а може бути уротропін з домішками, наприклад, найпоширенішим є склад сухого пального - суміш уротропіну і парафіну), але і від густини таблетки, залежної у свою чергу від деякої безрозмірної характеристики форми таблетки. При цьому, найпоширенішою формою сухого пального є форма таблетки (форма приплюснутого короткого циліндру), Фіг.2. Окрім цього, автор вважає, що густина таблетки є не однаковою, а максимальної на верхньому і нижньому зрізі циліндра таблетки і зменшується залежно від віддалення від цих площин, що у свою чергу також впливає на показники горіння. Рівень винахідництва пропонованого технічного рішення полягає в тому, що для підведення кисню ззовні, через зовнішню поверхню таблетки у внутрішні зони таблетки і для посилення дифузії кисню безпосередньо в самій внутрішній зоні, необхідно оптимізувати густину таблетки або іншої форми сухого пального, а саме виконати її так, щоб дифузійні потоки кисню у внутрішні об'єми таблетки відповідали потокам кисню до зовнішньої поверхні таблетки. Саме за цих умов досягається об'ємне горіння всієї таблетки сухого пального і максимальна енергія згоряння. За описаних вище умов оптимізації пального сухого по питомій внутрішній поверхні і питомій зовнішній поверхні додавання додатково в рецептуру парафіну вказаних вище кількостей приводить до додаткового ефекту - винесенню в зовнішню зону кінетичного високотемпературного горіння частинок вуглецю. Винесення частинок вуглецю відбувається в результаті випаровування парафіну. Потрапляючи у високотемпературну зону пари парафіну і, що особливо важливо, частинки вуглецю повністю згоряють. Горіння протікає в не лімітованому по надходженню кисню режимі, при цьому забезпечується повне згоряння пального сухого, підвищується інтенсивність горіння, забезпечується відсутність кіптяви, відсутність в продуктах згоряння шкідливих речовин. Пресована таблетка уротропіну не має гладку газопроникну поверхню. В ній є багато пір і тонких каналів різної конфігурації. Був досліджений гранулометричний склад початкової сировини - уротропіну технічного марки «С», що випускається по ГОСТ 1381-73. Аналіз проведений за допомогою оптико-електронної системи «Милипор»,США і розсіванням на ситах. Результати представлені в таблиці 1. 5 25198 6 Таблиця 1 Розмір частинок, Більш 850 мкм Кількість % ва0,8 гових 850-630 630-450 450-300 300-115 115-80 Менше 80 51,08 31,52 8,66 1,84 4,73 0,8 Виходячи з цих даних визначена питома поверхня частинок початкового порошкоподібного уротропіну у вільному стані, до пресування. Вона складає fо=110см 2/см 3. Насипна густина порошку уротропіну до пресування дорівнює rо=0,6286г/см 3. Експериментально встановлена також густина уротропіну - «моноліту», тобто власне чистої речовини. Вона рівна rм=1,262г/см 3, відповідно питома внутрішня поверхня рівна нулю: fм=0. Виходячи з цього побудований графік залежності питомої внутрішньої поверхні f уротропіну від густини r таблетки, пресованої з нього (Фіг.1). Функціональна залежність питомої внутрішньої поверхні f таблетки пального сухого, пресованого з чистого уротропіну, від густини її r має вигляд: (1) f=174 (1,262-r). Встановлено, що для протікання процесу горіння вуглецю в кінетичній області і, відповідно, підвищення енергії і ефективності горіння необхідно, щоб питома внутрішня поверхня була рівна не менше 15-63см 2/см 3, що для випадку пресованої таблетки з уротропіну або з уротропіну з домішками відповідає густині 0,90-1,40г/см 3. Другою важливою характеристикою пального сухого є питома зовнішня поверхня таблетки S, через яку, власне, переноситься кисень із зовнішнього простору в зону горіння. S=F/V, де: F - площа зовнішньої поверхні таблетки, прилягаючої до зовнішнього середовища; V - об'єм таблетки. Чим більше питома зовнішня поверхня S, тим більше кисню поступає в зону горіння і тим інтенсивніше відбувається сам процес горіння. На Фіг.2 представлена таблетка пального сухого, де: d діаметр таблетки, Н - висота таблетки. Враховуючи, що нижня поверхня таблетки лежить на підставці і в горінні не бере участі, і позначаючи співвідношення висоти таблетка Н до діаметра d як a, H/d=а, отримаємо: S=(1+4а)/d·а (2) Графік залежності питомої зовнішньої поверхні S від відносного діаметра а представлений на Фіг.3. Тут для визначеності прийнято d=1. Як видно з Фіг.3, максимальне значення питомої зовнішньої поверхні S, а, отже, і кращі умови для горіння таблетки пального сухого досягаються при а®0, тобто коли таблетка максимально плоска. Проте, на цю вимогу накладається обмеження за умов технологічності пресування і міцності таблетки на злам. Експериментально встановлено, що з урахуванням цих вимог максимально можливе значення а лежить в межах а=0,15¸0,95. При цих значеннях забезпечуються як добрі умови горіння таблетки, так і її характеристики міцності і технологічність виготовлення. Шляхом кореляції за принципом відповідності питомої внутрішньої поверхні f, яка, як слідує з (1) є спадаючою лінійною функцією густини р таблетки пального сухого, і питомої зовнішньої поверхні S (залежність (2), що є гіперболічною функцією від безрозмірного геометричного критерію форми таблетки а, отримана наступна залежність для густини таблетки пального сухо го, при якій досягається максимальна енергія згоряння: r=(0,90¸1,40)-0,002/а. (3) При цьому вра ховано, що в цьому діапазоні густини досягаються прийнятні значення як питомої внутрішньої поверхні f, так і задовільні з погляду кінетики горіння значення питома зовнішня поверхня S . Залежність (3) дійсна в межах реально технічно здійсненних значеннях а=0,15¸0,95. Для оцінки технічного результату пропонованої корисної моделі були проведені експериментальні дослідження. Приклад 1 Досліджували теплову потужність згоряння пального сухого у вигляді таблетки спресованої з чистого уротропіну наступних розмірів: Діаметр d=28мм Висота Н=10,5мм Критерій а=H/d=0,37. Згідно корисної моделі густина таблетки визначається залежністю r=(0,90¸1,40)-0,002/а. В нашому випадку, безрозмірний геометричний параметр а=0,37 і для забезпечення максимального показника теплової потужності згоряння згідно пропонованої корисної моделі густина таблетки повинна бути рівна r=(0,89¸1,39)г/см 3. Були виготовлені таблетки пального сухого з густиною, визначуваною корисною моделлю а також контрольні зразки і колориметричним шляхом проведені дослідження теплової потужності згоряння цих таблеток. Результати досліджень представлені в таблиці 2. 7 25198 8 Таблиця 2 Номери дослідів Густина, г/см 3 Теплова потужність згоряння, Вт 1 0,84 2 0,89 3 1,12 4 1,39 5 1,45 325 372 376 368 312 Як випливає з результатів досліджень, якнайкращі показники по тепловій потужності згоряння були в дослідах 2, 3, 4, де таблетки пального сухого були виго товлені відповідно до пропонованої корисної моделі. В контрольних дослідах 1 і 5, в яких густина була іншою, цей показник був нижчим на 13-15%. Приклад 2. Досліджувалася також теплова потужність згоряння таблеток пального сухого, що містить уротропін і парафін наступних складів: Склад 1 Уротропін 97,5% Парафін 2,5% Склад 2 Уротропін 96,4% Парафін 3,6% Були виго товлені експериментальні зразки таблеток пального сухого вказаного вище розміру і з різною густиною: відповідної розрахунку згідно корисної моделі r=(0,89¸1,39)г/см 3 і таблетки з контрольною густиною. Колориметричним шляхом визначалася теплова потужність згоряння цих зразків. Результати представлені в таблицях 3, 4. Таблиця 3 Склад 1 Номери дослідів Густина, г/см 3 Теплова потужність згоряння, Вт 1 0,850 302 2 0,890 377 3 1,150 380 4 1,390 375 5 1,451 290 Таблиця 4 Склад 2 Номери дослідів Густина, г/см 3 Теплова потужність згоряння,Вт 1 0,848 289 Як випливає з результатів досліджень, найбільша теплова потужність досягається в обох рецептурах в дослідах 2, 3, 4, у разі коли таблетки пального сухо го були виготовлені з розрахунковою 2 0,890 362 3 1,170 371 4 1,390 368 5 1,455 294 густиною згідно пропонованої корисної моделі. Порівняно з контрольними зразками 1 і 5 цей показник вище в середньому на 20%. 9 Комп’ютерна в ерстка В. Мацело 25198 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601