СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ КОНДЕНСИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ СРЕДЫ В ВОЛНЕ ГОРЕНИЯ ФРОНТАЛЬНОГО САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА Российский патент 2002 года по МПК G01N25/00 

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано в исследованиях кинетики горения фронтального самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Известен способ определения энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды, реагирующих в режиме теплового взрыва СВС, при наличии дополнительного нехимического источника тепловыделения в самой конденсированной электропроводной среде, заключающийся в том, что предварительно через взаимодействующие компоненты конденсированной электропроводной среды пропускают электрический ток, предназначенный для нагрева этой среды до воспламенения, затем устанавливают зависимость между характерной температурой, при которой мощность тепловыделения за счет химической реакции сравняется с мощностью дополнительного источника тепловыделения, и мощностью дополнительного источника тепловыделения и строят график зависимости в следующих координатах:
lnW-1/Т^*
При этом зависимость между характерной температурой и мощностью дополнительного источника тепловыделения определяют следующим образом.

1. Если начальная температура смеси компонентов конденсированной электропроводной среды постоянна и фиксируют только значения мощности дополнительного источника тепловыделения и периодов индукции, то есть времени, в течение которого скорость реакции достигнет своего максимума, то характерную температуру находят из следующей формулы:

где t_i - период индукции;
с - теплоемкость смеси компонентов конденсированной электропроводной среды;
ρ - плотность смеси компонентов конденсированной электропроводной среды;
Т^* - характерная температура смеси компонентов конденсированной электропроводной среды, при которой мощность тепловыделения за счет химической реакции сравняется с мощностью дополнительного источника тепловыделения;
Т₀ - начальная температура смеси компонентов конденсированной электропроводной среды;
W - мощность дополнительного источника тепловыделения.

2. Если начальную температуру смеси компонентов конденсированной электропроводной среды изменяют при постоянной мощности дополнительного источника тепловыделения, то характерную температуру находят также по формуле (1).

Об энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в режиме теплового взрыва СВС судят по наклону касательной в заданной точке построенного графика [1].

Однако использование описанного способа не позволяет определить энергию активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в волне горения фронтального СВС.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ определения энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной среды в волне горения фронтального СВС путем установления зависимости между скоростью распространения волны горения фронтального СВС и максимальной температурой в волне горения фронтального СВС и построения графика зависимости в следующих координатах:
ln(U/T)-l/T,
где U - скорость распространения волны горения фронтального СВС;
Т - максимальная температура в волне горения фронтального СВС.

При этом изменения скорости распространения волны горения, которую определяют как отношение длины пути прохождения волны горения ко времени прохождения волны горения через конденсированную среду, и максимальной температуры в волне горения, которую определяют с помощью инертных меток, имеющих различную температуру плавления, осуществляют следующими путями:
1) разбавлением исходной смеси компонентов конденсированной среды конечным продуктом СВС, причем при увеличении содержания конечного продукта в исходной смеси максимальная температура в волне горения и соответственно скорость распространения волны горения снижаются;
2) предварительным подогревом исходной смеси компонентов конденсированной среды до температуры Т₀, причем при увеличении этой температуры максимальная температура в волне горения и соответственно скорость распространения волны горения повышаются;
3) разбавлением исходной смеси компонентов конденсированной среды конечным продуктом СВС и подогревом исходной смеси компонентов с конечным продуктом СВС до температуры Т₀ для расширения диапазонов изменения максимальной температуры в волне горения и скорости распространения волны горения [2].

Основными недостатками способа определения энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной среды в волне горения фронтального СВС являются повышенная трудоемкость и низкая точность из-за того, что график зависимости между скоростью распространения волны горения и максимальной температурой в волне горения в координатах ln(U/T)-1/Т строят по нескольким экспериментальным точкам, для нахождения каждой из которых необходимо проведение отдельного экспериментального исследования с заданным начальным условием - концентрацией в исходной смеси компонентов конденсированной среды конечного продукта СВС и/или начальным состоянием - температурой исходной смеси компонентов, то есть определение энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной среды в волне горения фронтального СВС по единственному эксперименту не представляется возможным. Расширение диапазонов изменения скорости распространения волны горения и максимальной температуры в волне горения возможно только при совмещении начальных условия и состояния исходной смеси - концентрации в исходной смеси конечного продукта СВС и начальной температуры исходной смеси с конечным продуктом СВС.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в волне горения фронтального СВС путем установления зависимости между скоростью распространения волны горения фронтального СВС и максимальной температурой в волне горения и построения графика зависимости в координатах:
ln(U/T)-l/T,
где U - скорость распространения волны горения фронтального СВС;
Т - максимальная температура в волне горения фронтального СВС, причем об энергии активации судят по наклону касательной в заданной точке построенного графика, предварительно через взаимодействующие компоненты конденсированной электропроводной среды одновременно с началом распространения волны горения или при распространении волны горения пропускают электрических ток, увеличивающий начальную температуру среды и соответственно повышающий скорость распространения волны горения и максимальную температуру в волне горения при соответствии общего удельного сопротивления конденсированной электропроводной среды следующему условию:
R_max>R_среды>R_min>>R_к,
где R_max - общее удельное максимальное сопротивление конденсированной электропроводной среды, ограниченное максимальным напряжением источника питания;
R_среды - общее удельное сопротивление конденсированной электропроводной среды;
R_min - общее удельное минимальное сопротивление конденсированной электропроводной среды;
R_к - удельное сопротивление компонента конденсированной электропроводной среды, имеющего максимальное удельное сопротивление.

Техническим результатом является снижение трудоемкости и повышение точности определения энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в волне горения фронтального СВС.

Снижение трудоемкости и повышение точности определения энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в волне горения фронтального СВС достигается путем обеспечения непрерывности изменения скорости распространения волны горения и максимальной температуры в волне горения фронтального СВС из единственного эксперимента пропусканием через взаимодействующие компоненты конденсированной электропроводной среды одновременно с началом распространения волны горения или при распространении волны горения электрического тока, увеличивающего начальную температуру еще не реагирующей среды и соответственно повышающего скорость распространения волны горения и максимальную температуру в волне горения фронтального СВС.

Общее удельное сопротивление конденсированной электропроводной среды, состоящее из сопротивлений контактов частиц компонентов конденсированной электропроводной среды, ограничено общими удельными максимальным и минимальным сопротивлениями этой среды, а общее удельное минимальное сопротивление среды должно более чем в 10 раз превышать удельное сопротивление компонента конденсированной электропроводной среды, имеющего максимальное удельное сопротивление для того, чтобы тепловыделение взаимодействующих компонентов конденсированной электропроводной среды осуществлялось равномерно в местах контактов частиц этих компонентов.

Если общее удельное сопротивление конденсированной электропроводной среды меньше общего удельного минимального сопротивления этой среды, в среде осуществляется процесс, подобный электродуговому переплаву, и возникновение неоднородных токов приводит к неравномерности тепловыделения, а следовательно, к снижению точности определения энергии активации.

При увеличении общего удельного сопротивления конденсированной электропроводной среды больше общего удельного максимального сопротивления этой среды необходимо повышать напряжение источника питания.

Предлагаемый способ определения энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в волне горения фронтального СВС поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена схема устройства для определения энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в волне горения фронтального СВС, реализующего этот способ; на фиг. 2 - график зависимости общего удельного сопротивления конденсированной электропроводной среды от давления прессования; на фиг.3 - график зависимости скорости U распространения волны горения фронтального СВС от максимальной температуры Т в волне горения фронтального СВС для среды никель-алюминий с использованием координат ln(U/T)-1/T.

Устройство для определения энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в волне горения фронтального СВС содержит регулятор мощности 1, соединенный с источником питания 2. Источник питания подключен к электродам 3, между которыми размещен образец 4 смеси компонентов конденсированной электропроводной среды. Реакция фронтального СВС инициируется в точке 5 образца 4.

Устройство для определения энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в волне горения фронтального СВС работает следующим образом.

В точке 5 образца 4 смеси компонентов конденсированной электропроводной среды инициируется реакция фронтального СВС и в конденсированной электропроводной среде распространяется волна горения. Посредством электродов 3, соединенных с источником питания 2, через образец 4 пропускается электрический ток, способствующий равномерному разогреву конденсированной электропроводной среды.

Способ определения энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в волне горения фронтального СВС осуществляется следующим образом.

Сначала исходную смесь компонентов конденсированной электропроводной среды разбавляют конечным продуктом СВС до тех пор, пока возможно инициирование и распространение волны горения для расширения диапазона изменения скорости распространения волны горения и максимальной температуры в волне горения фронтального СВС. Затем осуществляют изготовление образца 4 путем прессования смеси компонентов конденсированной электропроводной среды под давлением, соответствующим заданным пределам изменения общего удельного сопротивления конденсированной электропроводной среды, состоящего из сопротивлений контактов частиц компонентов этой среды:
R_max>R_среды>R_min>>R_к,
где R_max - общее удельное максимальное сопротивление конденсированной электропроводной среды, ограниченное максимальным напряжением источника питания;
R_среда - общее удельное сопротивление конденсированной электропроводной среды;
R_min - общее удельное минимальное сопротивление конденсированной электропроводной среды;
R_к - удельное сопротивление компонента конденсированной электропроводной среды, имеющего максимальное удельное сопротивление.

Общее удельное максимальное сопротивление конденсированной электропроводной среды при этом ограничено максимальным напряжением источника питания 2, а общее удельное минимальное сопротивление конденсированной электропроводной среды должно более чем в 10 раз превышать удельное сопротивление компонента конденсированной электропроводной среды, имеющего максимальное удельное сопротивление (см. фиг.2).

Таким образом, применение источников большой мощности электрического тока позволяет реализовать адиабатические режимы разогрева конденсированной электропроводной среды без существенной неоднородности в распределении температуры конденсированной электропроводной среды, что исключает необходимость учета особенностей внешней теплоотдачи. Условием корректности адиабатического подхода для разогрева конденсированной электропроводной среды является выполнение следующего неравенства:
Q_{подвода}>>Q_отвода,
при этом из [3]:

где Q_{подвода} - количество подведенной теплоты к образцу 4;
Q_отвода - количество отведенной теплоты от образца 4;
α - коэффициент теплоотдачи;
S - площадь поверхности конденсированной электропроводной среды;
V - объем конденсированной электропроводной среды;
Т - температура конденсированной электропроводной среды;
T₀ - начальная температура конденсированной электропроводной среды.

Неоднородностью температуры можно пренебречь при условии [4]:

где Т - температура конденсированной электропроводной среды;
t - время;
λ - теплопроводность конденсированной электропроводной среды;
с - теплоемкость конденсированной электропроводной среды;
ρ - плотность конденсированной электропроводной среды;
х - координата.

Далее инициируют реакцию фронтального СВС в точке 5 образца 4 и в конденсированной электропроводной среде распространяется волна горения. Одновременно с началом распространения волны горения или при распространении волны горения через образец 4 смеси компонентов конденсированной электропроводной среды пропускают электрический ток (см. фиг. 1). Вследствие пропускания электрического тока осуществляется равномерное тепловыделение в местах контактов частиц компонентов конденсированной электропроводной среды и ее разогрев. Количество выделенной теплоты в местах контактов указанных частиц соответствует закону Джоуля-Ленца:
Q_{подвода}=UIt, (4)
где U - падение напряжения на образце 4;
I - ток через образец 4;
t - время прохождения тока через образец 4.

Таким образом, пропускание электрического тока через образец 4 позволяет увеличить начальную температуру конденсированной электропроводной среды и, следовательно, повысить скорость распространения волны горения и максимальную температуру в волне горения фронтального СВС.

Зависимость между скоростью распространения волны горения и максимальной температурой в волне горения фронтального СВС устанавливают путем регистрации телевизионной измерительной системой, например [5], непрерывного изменения вышеуказанных скорости и температуры.

Далее строят график этой зависимости в координатах:
ln(U/T)-l/T,
где U - скорость распространения волны горения фронтального СВС;
Т - максимальная температура в волне горения фронтального СВС.

По наклону касательной в заданной точке графика судят об энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в волне горения фронтального СВС, исходя из единственного эксперимента (см. фиг. 3) и используя следующую формулу[2]:

где Е - энергия активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в волне горения фронтального СВС;
R - универсальная газовая постоянная;
U - скорость распространения волны горения фронтального СВС;
Т - максимальная температура в волне горения фронтального СВС.

Так, используя график зависимости скорости распространения волны горения от максимальной температуры в волне горения фронтального СВС для среды никель-алюминий (см. фиг.3) и формулу (5), определяют, что энергия активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды, соответствующая участку 1 графика, равна 76 кДж/моль, участку II - 140 кДж/моль.

Использование предлагаемого способа позволяет с высокой точностью и незначительными затратами труда определить энергию активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в волне горения фронтального СВС из единственного эксперимента.

Источники информации
1. В. Б. Улыбин, О.А.Кочетов, В.В.Шипилов, А.С.Штейнберг Тепловой взрыв при наличии дополнительного (нехимического) источника тепла. - В кн.: Горение и взрыв. М.: Наука, 1977, с.269-272.

2. Найбороденко Ю. С., Итин В.И. Закономерности и механизм безгазового горения смесей разнородных металлических порошков // Горение и взрыв. Материалы IV Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву, 23-27 сентября 1974г. М.: Наука, 1977, с.201-206 (прототип).

3. Я. Б.Зельдович, Г.И.Баренблатт и др. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980, с.54.

4. К. В. Попов, В.А.Князик, А.С.Штейнберг. Исследование высокотемпературного взаимодействия Ti с В методом электротеплового взрыва. - ФГВ, 1993, вып1, с.84.

5. Коротких В.М. Телевизионные методы регистрации и контроля теплофизических параметров в технологиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза - Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Барнаул, 1999, стр.11.

Использование: теплофизические измерения. Сущность изобретения: предварительно через взаимодействующие компоненты конденсированной электропроводной среды одновременно с началом распространения волны горения или при распространении волны горения пропускают электрический ток, увеличивающий начальную температуру среды и соответственно повышающий скорость распространения волны горения и максимальную температуру в волне горения. Затем устанавливают зависимость между скоростью распространения волны горения фронтального самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и максимальной температурой в волне горения. Технический результат: снижение трудоемкости и повышение точности определения энергии активации из единственного эксперимента. 3 ил.

Способ определения энергии активации взаимодействия компонентов конденсированной электропроводной среды в волне горения фронтального самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем установления зависимости между скоростью распространения волны горения фронтального самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и максимальной температурой в волне горения фронтального самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и построения графика зависимости в координатах
In(U/T)-1/T,
где U - скорость распространения волны горения фронтального самораспространяющегося высокотемпературного синтеза;
Т - максимальная температура в волне горения фронтального самораспространяющегося высокотемпературного синтеза,
при этом об энергии активации судят по наклону касательной в заданной точке построенного графика, отличающийся тем, что предварительно через взаимодействующие компоненты конденсированной электропроводной среды одновременно с началом распространения волны горения или при распространении волны горения пропускают электрический ток, увеличивающий начальную температуру среды и соответственно повышающий скорость распространения волны горения и максимальную температуру в волне горения, при соответствии общего удельного сопротивления конденсированной электропроводной среды следующему условию:
R_max>R_среды>R_min>>R_к,
где R_max - общее удельное максимальное сопротивление конденсированной электропроводной среды, ограниченное максимальным напряжением источника питания;
R_среды - общее удельное сопротивление конденсированной электропроводной среды;
R_min - общее удельное минимальное сопротивление конденсированной электропроводной среды;
R_к - удельное сопротивление компонента конденсированной электропроводной среды, имеющего максимальное удельное сопротивление.