РЕГУЛИРОВАНИЕ ГРАДИЕНТА ТЕМПЕРАТУРЫ РАЗОГРЕВА РЕАКЦИОННОЙ СМЕСИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО СВ-СИНТЕЗА В РЕЖИМЕ ТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА
Коротких В.М., Гумиров М.А.
Алтайский государственный технический университет
им. И.И. Ползунова
Создание управляемых технологических процессов СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) предполагает не только исследование закономерностей и механизма формирования целевых продуктов во всем диапазоне составов и множестве структурных типов, но и активное воздействие на теплофизические параметры в ходе реакции. Построение моделей реакционных процессов с однозначным определением роли в них геометрико-морфологических характеристик исходных материалов, степени влияния на процесс характеристик компонентов достаточно подробно описаны [1]. Макрокинетический подход, имеющий целью измерение температуры и скорости горения в функции начальных параметров реакции дает только рекомендации и исключает возможность в полной мере управлять ходом синтеза.
Целью работы явилось создание метода и аппаратуры управления градиентом разогрева реакционной смеси для инициализации объемного горения (теплового взрыва). При самораспространяющемся высокотемпературном синтезе тепло из зоны реакции передается в исходную часть, делая ее реакционной при достижении некоторого значения температуры Тр, создавая передвижение зоны реакции с некоторой скоростью, зависящей от теплофизических параметров экзотермической системы. Очевидно, что температура в реакционной ячейке не достигает максимального значения, из-за расхода тепла на подогрев исходной смеси, делая возможным неполное реакционное взаимодействие и структурообразование конечного продукта. Очевидно, объемное горение системы может быть достигнуто при одновременном нагреве всех компонентов и областей реакционной смеси до температуры Тр, это значит, что градиент температуры разогрева должен быть близок или равен нулю:
(1)
где – единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности в сторону возрастания температур;
– производная температуры по нормали .
В реальных условиях получить бесконечно малый градиент можно медленным пошаговым разогревом с малой D Т и экспозицией до полного выравнивания температур во всем объеме рис.1.
Рис.1 Термограмма рабочего объема печи
Время экспозиции может быть рассчитано с учетом граничных условий цикла. Из уравнения теплопроводности, при условии отсутствия внутренних источников тепла имеем:
dQ1+dQ=0 (2)
где dQ1 – подведенное тепло, dQ – изменение внутренней энергии шихты.
Для цилиндрического протяженного тела можно считать, что:
(3)
Подставим в (2):
или (4)
где а – коэффициент температуропроводности.
Если принять во внимание однородность реакционной смеси, то есть линейное убывание температур вдоль оси Х то используя метод конечных разностей имеем время периода выравнивания температур:
(5)
где a – коэффициент убывания температур вдоль оси Х.
Рис.2. Схема программно–управляемого разогрева реакционной смеси (1 - печь, 2 -нагреватель, 3 - оснастка, 4 - шихта, 5 - термопары,
6 - компаратор, 7 - элемент “И”, 8 - усилитель тока, 9-управляемый генератор импульсов, 10 - цифровой регулятор скважности, 11 -счетчик температурного интервала (цикла), 12 - устройство сопряжения с ЭВМ)
Устройство, позволяющее управлять величиной градиента температуры изображено на рис.2.
В начальный момент i-го цикла термо ЭДС термопар имеет одинаковое значение, что определяет состояние компаратора 6, на выходе которого сформирован сигнал “1”. Логический элемент “И” разрешает прохождение импульсов определенной скважности через усилитель тока 8 на нагреватель 2. Скважность определяет подводимую мощность, которая задает и поддерживает температуру внутри рабочего объема печи 1. При рассогласовании температур на заданную величину D Т выходной сигнал компаратора имеет значение логического “0”, что определяет запрет прохождения импульсов к нагревателю на время tв. После выравнивания температур следует начало нового цикла рис.3.
Рис.3. Зависимость градиента температуры от времени при заданных D Т1 и D Т2
Таким образом температура начала СВ-синтеза однозначно определяется соотношением:
Тр=Nц× D Т (6)
где Nц – номер цикла, при котором произошло начало реакции СВ-синтеза. Описанный метод управления величиной градиента температуры, с помощью задаваемой величины D Т позволяет, с повышенной точностью, определять температуру начала реакции СВС.
Литература:
1.Интегральные технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: Моногр. В.В. Евстигнеев, Б.М. Вольпе, И.В. Милюкова, Г.В. Сайгутин – М.:Высш. шк., 1996.–274 с. : ил.