Патент на изобретение №2312093

(54) СОСТАВ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к твердым топливам. Предложено твердое топливо, содержащее порошок магния и порошок алюминиево-магниевого сплава в качестве горючего и кристаллогидраты метасиликата натрия кремниевой кислоты, введенные в твердом состоянии или в виде водных растворов, или сульфат меди в качестве окислителя. Изобретение направлено на повышение скорости горения и мощности энерговыделения при горении топлива.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может найти преимущественное применение при дезактивации загрязненных радионуклидами помещений и оборудования атомных электрических станций, различных объектов атомной промышленности и радиохимических производств. Кроме того, изобретение может найти применение в нефтяной и газовой промышленности для очистки внутренних поверхностей металлических труб от твердых загрязнений и их последующей утилизации.

Технический результат: снижение дозовых нагрузок на персонал при проведении дезактивационных работ на объектах атомной промышленности и радиохимических производствах, снижение трудоемкости, повышение производительности труда.

В изобретении предлагаются новые составы твердых топлив, сгорающих за счет окислителей, вводимых в состав топливной смеси.

В качестве горючего используются такие металлы как магний, алюминий, магниево-алюминиевые сплавы. В качестве окислителей горючего применяются соли (нитраты, хлораты, хроматы, бихроматы, перхлораты, перманганаты), окислы (железа, марганца, свинца, меди, висмута и др.), пероксиды (бария, натрия, серебра и др.). Такие топливные смеси широко используются в пиротехнике, промышленности, военной технике и др. областях [Шидловский А.А. Основы пиротехники. М.: Машиностроение, 1964, 1973].

Недостатками известных составов являются:

– низкая термическая устойчивость ряда солей, в частности хлоратов и перхлоратов;

– взрывоопасность некоторых окислителей, в известных условиях и без смешения с горючим;

– некоторые окислители являются дефицитными и дорогостоящими. Наиболее близким техническим решением, выбранным нами в качестве прототипа, является состав горючего по патенту [Карлина O.K., Петров Г.А., Петров А.Г., Тиванский В.М., Ожован М.И., Соболев И.А., Баринов А.С. Патент РФ №2114470 С1, МКИ⁶: G21F 9/28, оп. 27.06.1998, Бюл. 18], включающий, мас.%: порошок магния – 50, порошок магниево-алюминиевого сплава – 48, селитру – 2, минеральное масло – 1% сверх 100%. Недостатками данного изобретения являются: низкая скорость горения и недостаточная мощность энерговыделения, а также окислителем является только кислород воздуха.

Предлагаемые нами новые составы топлив используют новые окислители без вышеотмеченных недостатков, обладают высокой скоростью горения и повышенной мощностью энерговыделения для создания высоко температурных градиентов в твердых негорючих телах.

Предложено твердое топливо, содержащее порошок магния и порошок алюминиево-магниевого сплава в качестве горючего и окислитель. В качестве окислителя топливо содержит кристаллогидраты метасиликата натрия кремниевой кислоты, введенные в твердом состоянии или в виде водных растворов, или сульфат меди, введенный в твердом состоянии, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Установлено, что кроме жидкого натриевого кремниевого стекла в качестве окислителей металлического горючего (магний, алюминий, магниево-алюминиевые сплавы) могут выступать кристаллогидраты метасиликата натрия кремниевой кислоты (Na₂SiO₃·9Н₂O), сульфата (Na₂SO₄·10H₂O) и сульфита натрия (Na₂S·9H₂O), медный купорос (CuSO₄·5Н₂О), сернокислого алюминия (Al₂(SO₄)₃·8Н₂O), фосфата натрия (Na₂PO₄·12Н₂О), тетрабората натрия (Na₂B₄O₇·10H₂O) и др., а также безводные соли сульфата меди, сульфата натрия, карбоната натрия и др.

Опыты по определению времени горения топлива проводились следующим образом. Приготавливали образец смеси, состоящий из порошков магния и магниево-алюминиевого сплава и соли заданной массы, обычно общей массой около 10-15 г. Смесь тщательно готовилась перемешиванием и штыкованием шпателями на твердой поверхности в течение 15-20 мин. Затем топливо укладывалась в виде дорожки (кольцевой с разрывом или линейной длиной 60 см и затем поджигалось с одного конца дорожки с помощью электроподжига. В момент возгорания топлива включался секундомер, и производился замер времени полного сгорания топлива.

Установлено, что металлическое топливо без добавки соли горит только за счет кислорода воздуха. Введение в качестве окислителей вышеперечисленных солей значительно ускоряет процесс горения смеси. Горение топлива происходит не только на воздухе, но и в инертной среде – в атмосфере аргона. Скорость горения топлива существенно зависит от количества и природы вводимой соли. Наибольшее увеличение скорости горения топлива происходит при введении добавок соли метасиликата натрия кремниевой кислоты (кристаллогидратной и безводной) и медного купороса.

При использовании в качестве окислителя соль кристаллогидрата метасиликата натрия кремниевой кислоты горение топлива протекает при содержании соли в количестве от 20 до 60 мас.%. Горение топлива не происходит при содержании соли меньше 20 и больше 60 мас.%. Экспериментально установлено, что с наибольшей скоростью горение топлива протекает при содержании силиката натрия примерно 40-45 мас.%. При оптимальном содержании силиката натрия скорость горения образца увеличивается в 50-100 раз по сравнению с горением металлического топлива на воздухе, а время горения топлива составляет примерно 5-10 с.

На скорость горения топлива весьма эффективно влияет добавка медного купороса. Как и при добавке силиката натрия, горение топлива протекает при содержании медного купороса в количестве от 20 до 60 мас.%. Горение топлива не происходит при содержании соли меньше 20 и больше 60 мас.%. Еще с большей скоростью, чем при использовании силиката натрия, протекает процесс горения топлива – образец топлива полностью сгорает за 2-4 с. С наибольшей скоростью горение топлива протекает при содержании медного купороса примерно 45-50 мас.%.

При введение других добавок также значительно уменьшается время горения топлива, например, при добавке сульфата натрия оно около 8 с, а тетрабората натрия – около 19 с.

Высокие скорости горения, а также ожидаемый большой импульс при выбросе продуктов горения предлагаемых в изобретении новых составов твердых топлив позволяют их рассматривать как перспективные в качестве горючего для твердотопливных ракет. Кроме того, это твердое топливо может применяться в качестве мощного источника излучения в УФ, видимом и ИК-диапазонах спектра для использования, как в воздушной среде, так и под водой.

Определение удельной теплоты сгорания топлива проводилось на калориметрической бомбе марки KL-5 (Польша).

Навески топлива с добавками солей сжигались в калориметрической бомбе в атмосфере кислорода при давлении 20 бар, в атмосферах воздуха и аргона при давлении 1 бар. Измерения и определения теплотворной способности топлива проводили в соответствии со стандартной методикой (ГОСТ – 147-95, ИСО 1928-76).

Ниже приведены примеры конкретных составов, свидетельствующие о реализации получения твердого топлива предлагаемым способом.

Пример 1. Для получения образца топлива берется порошок магния 1.1 г, порошок алюминиево-магниевых сплавов 4.4 г и соли кристаллогидрата метасиликата натрия кремниевой кислоты 4.5 г. Смесь тщательно перемешивается и штыкуется шпателями на твердой поверхности в течение 10-20 мин. Затем топливо укладывалось в виде линейной дорожки длиной 60 см. Топливо поджигалось с одного конца дорожки с помощью электроподжига. В момент возгорания топлива включался секундомер, и производился замер времени полного сгорания топлива. Время полного сгорания топлива составило ˜ 6 с.

Пример 2. Для получения топлива берется порошок магния 1.1 г, порошок алюминиево-магниевых сплавов 4.4 г и 40% водный раствор метасиликата натрия кремниевой кислоты 4.5 г. Смесь тщательно перемешивается и штыкуется шпателями на твердой поверхности в течение 10-20 мин. Затем топливо наносится на подготовленную поверхность в виде линейной дорожки длиной 60 см и высушивается при комнатной температуре в течение 10 -12 ч. Топливо поджигалось с одного конца дорожки с помощью электроподжига. В момент возгорания топлива включался секундомер, и производился замер времени полного сгорания топлива. Время полного сгорания топлива составило ˜ 5 с.

Пример 3. Для получения топлива берется порошок магния 1.1 г, порошок алюминиево-магниевых сплавов 4.4 г и соли медного купороса 4.5 г. Смесь тщательно перемешивается и штыкуется шпателями на твердой поверхности в течение 10-20 мин. Затем топливо наносится на подготовленную поверхность в виде линейной дорожки длиной 60 см. Топливо поджигалось с одного конца дорожки с помощью электроподжига. В момент возгорания топлива включался секундомер, и производился замер времени полного сгорания топлива. Время полного сгорания топлива составило ˜ 3 с.

Пример 4. Для получения топлива берется порошок магния 1.1 г, порошок алюминиево-магниевых сплавов 4.4 г и обезвоженного сульфата меди 4.5 г. Смесь тщательно перемешивается и штыкуется шпателями на твердой поверхности в течение 10-20 мин. Затем топливо наносится на подготовленную поверхность в виде линейной дорожки длиной 60 см. Топливо поджигалось с одного конца дорожки с помощью электроподжига. В момент возгорания топлива включался секундомер, и производился замер времени полного сгорания топлива. Время полного сгорания топлива составило ˜ 3 с.

Литература

1. Карлина O.K., Петров Г.А., Петров А.Г., Тиванский В.М., Ожован М.И., Соболев И.А., Баринов А.С. Патент РФ №2114470 С1, МКИ⁶: G21F 9/28, оп. 27.06.1998, Бюл. 18.

Формула изобретения

Твердое топливо, содержащее порошок магния и порошок алюминиево-магниевого сплава в качестве горючего и окислитель, отличающееся тем, что в качестве окислителя оно содержит кристаллогидраты метасиликата натрия кремниевой кислоты, введенные в твердом состоянии или в виде водных растворов, или сульфат меди, введенный в твердом состоянии, при следующем соотношении компонентов, мас.%: