ГЕНЕРАЦИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГАЗА ИЗ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2001 года по МПК B01J7/00 C01B21/02 C06B35/00 

Изобретение относится к области разработок конструкций систем на твердом топливе для генерации газа и может быть использовано для получения низкотемпературных газов (как селективных, например азота, углекислого газа, кислорода, так и смесей различных газов) с температурой на выходе из газогенератора не более 350K.

Область применения газогенераторов достаточно обширна: наддув средств спасения (лодок, плотов, спасжилетов), сооружение быстровозводимых перегородок, дистанционное управление запорной арматурой на нефтегазопроводах, создание на их основе устройств и оборудования подъемно-транспортных механизмов (домкратов), автономных пневмоустройств для вытеснения различных веществ (порошков, жидкостей). Низкотемпературные газы могут быть использованы как в промышленности, так и в медицине.

Большинство известных конструкций газогенераторов на твердом топливе генерируют газы с температурой не менее 1000K, что исключает их применение в ряде устройств и исполнительных механизмов, особенно из неметаллических материалов. Замена последних на более термостойкие часто экономически нецелесообразна или конструктивно невыполнима. В связи с этим существует ряд технических решений, направленных на снижение температуры генерируемого газа. Один из известных способов получения холодных газов основан на введении в камеру сгорания специальных веществ-охладителей. В этом случае при протекании высокотемпературных продуктов сгорания твердого топлива через слой охладителей осуществляется эндотермический процесс разложения последнего с соответствующим понижением температуры газа. Степень понижения температуры предопределяется материалом охладителя, его массой, фракцией, эффективной длиной охлаждения.

Примером подобных технических решений являются инструкции генераторов по патенту США N 1362349, Великобритании 101371506, 1382325, Франции N 1388697, 1443658, авторскому свидетельству СССР N 801540. Недостатком приведенных выше технических решений являются усложненные конструкции генератора из-за введения охладителя, а также загрязнение генерируемого газа вследствие процессов термолиза охладителя (например, появление аммиака при использовании в качестве охладителя карбамида).

Известно решение по снижению температуры продуктов сгорания за счет введения в рецептуру топлива компонентов-охладителей, термолиз которых сопровождается значительным эндоэффектом: патенты США N 3977924, 4092190. Однако существенного снижения температуры в данных решениях достичь не удается, что определяется условиями обеспечения устойчивого самоподдержания процесса горения топлива (не менее 600K), которая также является достаточно высокой для многих материалов. Кроме того, введение подобных компонентов также приводит к загрязнению целевого газа.

Еще один из способов снижения температуры газов на выходе из генератора основан на использовании мощных механических теплообменников, установленных в камере сгорания или за сопловым блоком. Материалы таких теплообменников характеризуются высокой теплоемкостью. Примерами реализации этого способа является конструкция по патенту Великобритании N 1500157, в котором в качестве охлаждающего материала предлагается использовать железо, алюминий, кремнезем, магнезию, а также по патенту Великобритании N 1487944, в котором охлаждающее устройство выполнено в виде спирально навитого проволочного экрана. По сравнению с вышеперечисленными конструкциями генераторов с охладителем в этих конструкциях нарушение чистоты генерируемого газа не происходит, однако, введение теплообменников усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные параметры.

В российской заявке N 94033881/26 от 15.09.94 г. описан газогенератор, который содержит корпус с крышкой, с установленным в нем капсюлем-воспламенителем, воспламенителем, монолитным газопроницаемым зарядом твердого топлива, газоохладительным фильтром, при этом заряд размещен в корпусе без технологического зазора.

Работает устройство следующим образом.

При срабатывании капсюля-воспламенителя зажигаются последовательно воспламенитель и обращенная к нему поверхность газопроницаемого заряда. Продукты сгорания, протекая через тело заряда, частично охлаждаются с окончательным охлаждением в блоке фильтра-охладителя.

Недостатком данного решения является необходимость введения фильтра-охладителя, усложняющего конструкцию генератора.

Сущность изобретения
Несмотря на известность целого ряда указанных выше и других решений по получению из твердого топлива низкотемпературных газов эта проблема продолжает оставаться актуальной, поскольку в большинстве из них задача решается или за счет усложнения газогенераторов, или соответствующим загрязнением целевого газа. Исходя из этого, основной задачей настоящего изобретения является создание газогенератора, обеспечивающего получение низкотемпературного газа (не более 350K) при простой конструкции. Неожиданно было обнаружено, что решение данной задачи может быть достигнуто, если у генератора, имеющего монолитный заряд из газогенерирующего состава, заряд разместить в корпусе так, что его поверхности, обращенные к воспламенителю и к выходу газа на корпусе, являются открытыми (не контактирующими с корпусом), и выполнить с размером пор, обеспечивающим снижение температуры генерируемого газа при проходе через эти поры до требуемых значений, причем конструкция генератора и заряда должна исключать возможность прохода газа, минуя тело заряда.

Другой задачей данного изобретения является создание специального химического состава "заряда, генерирующего при сгорании азот, имеющий более низкую температуру, чем известные азотгенерирующие пиротехнические смеси и составы.

Еще одним аспектом настоящего изобретения является создание способа изготовления заряда, который обеспечивал бы получение в теле заряда сквозных пор с размером, обеспечивающим снижение температуры генерируемого газа до требуемых значений.

Экспериментально было установлено, что для получения низкотемпературного газа (не более 350K) размер пор (d) должен отвечать условию:

где H_T, H_Г- [м²/с]- коэффициенты температуропроводности топлива и продуктов его сгорания, V, U [м/с] - скорости газа при втекании в поры и горения топлива соответственно.

Коэффициенты (0,1 - 0,8) являются экспериментальными и учитывают увеличение глубины охлаждения при наличии тепловыделений в конденсированной фазе.

На фиг. 1 представлена заявляемая конструкция газогенератора; на фиг. 2 а,б - примеры конструкций газогенераторов, исключающих перетекание продуктов сгорания от воспламенителя к выходному соплу вне тела заряда.

Примеры осуществления изобретения.

Заявленный газогенератор состоит из корпуса 1, воспламенителя 2, заряда 3 с двумя открытыми поверхностями 4,5 и выходного сопла 6. Заряд должен быть установлен в корпусе газогенератора таким образом, чтобы исключить перетекание продуктов сгорания от воспламенителя 2 к выходному соплу 6, минуя тело заряда. Как видно на фиг. 2, это может быть обеспечено различными конструктивными решениями, доступными специалистам и не являющимися предметом настоящего изобретения. Так, на фиг. 2a изображен вариант выполнения газогенератора, при котором заряд имеет клеевое соединение 7 с внутренней поверхностью корпуса, т.е. отсутствуют зазор между телом заряда и корпусом. На фиг. 2б представлен другой вариант, при котором заряд установлен в корпусе с зазором, но этот зазор перекрыт уплотнением 9.

Работа предлагаемого газогенератора происходит следующим образом.

При срабатывании воспламенителя продукты сгорания зажигают открытую торцевую поверхность заряда, обращенную к воспламенителю. Вследствие сквозной пористости заряда газы, протекая через тело, за счет процессов теплообмена теряют свою температуру, и на выходе из генератора через сопловый блок могут иметь температуру существенно более низкую по сравнению с известными конструкциями газогенераторов.

Оценочные расчеты необходимого диаметра пор в соответствии с соотношением (1) показывают, что он должен составлять для получения газа с температурой не более 350K от 1 до 2 мм.

Увеличение размера пор заряда по сравнению с расчетным вызывает в лучшем случае неэффективное понижение температуры вследствие повышения скорости потока газа в порах и уменьшения из-за этого времени теплоотдачи, либо взрыв генератора из-за поджигания пор и реализации объемного горения заряда.

Снижение размера пор вызывает повышение перепада давления в воспламенительном и предсопловом объемах. Одновременно снижение размера пор в большинстве случаев приводит к повышению плотности заряда, а это, в свою очередь, к неустойчивому горению заряда.

Предлагаемая конструкция генератора по сравнению с существующим не предполагает использование блока охладителя, что существенно упрощает конструкцию генератора.

Для данной конструкции генератора предлагается твердотопливный заряд для получения низкотемпературного азота и способ его изготовления.

Пиротехнические смеси и заряды, применяемые в настоящее время в твердотопливных генераторах для генерации селективных газов, например кислорода, азота и др., достаточно известны. Примером этого служат технические решения по заявке PCT/RU95/00027, патентам США N 3775199, 3865660, 3883373, патентам Великобритании N 1391310, 1406002, 1417022.

Заряды, генерирующие азот, в вышеприведенных решениях выполнены из пиротехнических смесей на основе азидов щелочных и щелочноземельных металлов и окислителей, взятых, как правило, в стехиометрическом соотношении.

Однако ни один из известных азотогенерирующих зарядов не обеспечивает выделение азота с необходимой чистотой и пониженной температурой.

Эта цель достигается заявленным составом, который включает азид натрия в качестве газообразователя, нитрат натрия в качестве окислителя, галогенид металла в качестве охлаждающего агента и связующее.

Галогенид металла является так называемым "механическим" охладителем. В отличие от охладителей, используемых в известных азотогенерирующих составах, температура разложения галогенидов металла существенно выше температуры горения состава, поэтому в процессе горения он только плавится и не нарушает чистоту целевого газа. Примером таких охладителей могут являться такие галогениды металлов, как, например, фторид лития или хлорид калия. Хорошие результаты в процессе испытаний показал хлорид натрия.

Введение хлорида натрия позволяет повысить механические характеристики заряда, более эффективно снижать температуру газов и обеспечить фильтрацию жидких конденсированных оставляющих продуктов сгорания.

Для обеспечения необходимой пластичности массы при смешении компонентов и повышения механических характеристик заряда вводится связующее, например фенольное порошкообразное связующее или связующее на основе поливинилтетразольных соединений. При использовании первого вводится растворитель - ацетон, второго - вода.

Использование поливинилтетразольного связующего более предпочтительно с точки зрения пожаровзрывобезопасности производства зарядов (ацетон-легковоспламеняемая жидкость) и увеличения газопроизводительности состава.

Получение газообразного азота при использовании заявленного состава заряда осуществляется при пиролизе азида натрия:
2NaN₃ ---> 2Na + 3N₂
Названные компоненты состава взяты в следующем соотношении мас.%:
Азид натрия - 65 - 93
Нитрат натрия - 0,9 - 50
Связующее - 3 -10
Галогенид металла, в частности хлорид натрия - Остальное
Способ изготовления пористых зарядов с диаметром пор, отвечающим условиям, описанным выше, включает смешивание порошкообразных компонентов с использованием легколетучего растворителя, способного растворять высокомолекулярные составляющие состава до образования пластичного материала, с последующим продавливанием его через перфорированную пластину или сито и сушкой гранул, последнюю операцию выполняют с обеспечением остаточной влажности гранул на уровне 2-3%, а затем проводят формование заряда и отверждение при температуре до 150^oC для полного удаления растворителя.

Как было указано, необходимый диаметр пор для получения низкотемпературного газа составляет 1... 2 мм. В связи с этим при смешении сухих компонентов состава и последующими введением растворителя и продавлением через сито, диаметр ячеек последнего должен находиться в этих же пределах 1... 2 мм.

Способ изготовления пористых монолитных зарядов согласно настоящему изобретению заключается в последовательности следующих операций:
- загрузка раствора связующего;
- введение смеси порошков азида щелочного или щелочноземельного металла и "механического" охладителя;
- отгонка основной части растворителя в процессе смешения вакуумированием при повышенной температуре;
- протирка пластичной массы через сито или перфорированную пластину диаметром ячеек 1... 2 мм;
- предварительное провяливание массы до 2,3% влажности гранул;
- формование заряда;
- двухступенчатое отверждение заряда при температурах 50^oC и 130... 150^oC.

Следует отметить, что необходимость провяливания гранул до 2... 3% влажности определяется следующими условиями:
- при влажности гранул до 2% (сухие гранулы) не обеспечивается необходимая прочность заряда, что приводит к его разрушению при воздействии ударно-импульсных нагрузок в процессе хранения и транспортировки;
- при влажности гранул более 3% при формовании заряда не обеспечивается необходимый размер пор вследствие повышенной пластичности гранул (деформация в процессе формования заряда).

С целью улучшения механических характеристик заряда режим отверждения последнего выбран по крайней мере двухступенчатым: сначала при температуре 50^oC до предварительного отверждения заряда, затем при температуре 130... 150^oC до полного удаления растворителя. Это обусловлено повышенной газификацией растворителя при высоких температурах, что может привести к растрескиванию заряда. С целью сокращения технологического цикла, операцию утверждения заряда лучше проводить в вакууме.

Для экспериментальной проверки заявляемого состава были приготовлены по заявляемому способу пять смесей компонентов.

Смешение порошкообразных компонентов проводилось в смесителе барабанного типа. После загрузки раствора связующего в процессе смешения вакуумированием до образования пластичной массы проводилась отгонка основной части растворителя при температуре от 35 до 80^oC. Гранулирование осуществлялось путем продавливания полученной массы через сито с диаметром ячеек 1,5 мм. Полученные гранулы провяливались до влажности 2,7%, после чего на вибростоле утряской проводилось формование зарядов до плотности 1 г/см³. Предварительное отверждение заряда осуществлялось при температуре 50^oC с последующим полным удалением растворителя при температуре 140^oC.

Сформованные заряды были помещены в газогенератор и отработаны. На выходе газогенератора производилось измерение температуры газа и содержание в нем газа, данные о которых приведены в таблице.

Как видно из представленной таблицы, из 5 испытывавшихся составов 3 (N 2,3,4) удовлетворяют заданным условиям.

Изобретение относится к структуре газогенератора, используемой для получения низкотемпературного газа, не выше 350 К, в частности азота с твердым монолитным зарядом, имеющим сквозные поры для прохода продуктов сгорания заряда. Размер пор обеспечивает снижение температуры газа при проходе через поры заряда до заданных значений. Состав для получения низкотемпературного азота предлагается на основе азида натрия, нитрата натрия, связующего и галогенида металла. При изготовлении газогенерирующего заряда выполняют смешивание порошкообразных компонентов состава заряда, введение растворителя до образования пластичного материала, продавливание полученной массы, сушку, формование и отверждение заряда. Изобретение обеспечивает выделение азота необходимой чистоты и пониженной температуры. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Газогенератор, состоящий из корпуса с размещенным в нем воспламенителем и зарядом твердого топлива, который размещен в корпусе так, что перетекание продуктов горения, минуя тело заряда, исключено, причем заряд имеет сквозные поры, проходящие между поверхностью, обращенной к воспламенителю, и противоположной ей поверхностью, отличающийся тем, что указанные поверхности не имеют контакта с корпусом, а размер пор составляет от 0,1 [14 Н_т Н_г (V - U)^-1 U^-1]^1/2 до 0,8 [14 Н_т Н_г (V - U)^-1 U^-1]^1/2, где Н_т и Н_г - коэффициенты температуропроводности топлива и продуктов его сгорания соответственно, V - скорость газа при втекании в пору и U - скорость горения топлива. 2. Пиротехнический состав для получения низкотемпературного азота, содержащий азид натрия, нитрат натрия, галогенид металла и связующее, отличающийся тем, что указанные компоненты находятся в следующем соотношении, мас.%:
Азид натрия - 65,0 - 93,0
Нитрат натрия - 0,9 - 5,0
Связующее - 3,0 - 10,0
Галогенид металла - Остальное
3. Состав по п.2, отличающийся тем, что в качестве галогенида металла он содержит хлорид натрия. 4. Способ изготовления газогенерирующего заряда, включающий смешивание порошкообразных компонентов состава заряда, введение растворителя до образования пластичного материала, сушку полученных гранул, формирование заряда и его отверждение, отличающийся тем, что после образования пластичного материала его продавливают через перфорированные пластины или сито, а отверждение заряда проводят по крайней мере в две ступени, причем на последней ступени удаляют растворитель при температуре от 130 до 150°С.