книги из ГПНТБ / Оренбах М.С. Реакционная поверхность при гетерогенном горении

определенным числом ударов резинового молоточка по ста­ канам.

Метод оценки насыпного веса используется в последнее время в Англии при исследовании горения пылевзвеси углей [100]. В указанной работе найдено, что кажущийся удельный вес мелких частиц угля и коксовых остатков находится в точ­ ном соответствии с насыпным весом.

Ткаж = 1 )82 Тнас-

При этом объем пустот навески узкой фракции составляет 45% от насыпного объема.

Для крупных частиц активированных углей показано [101],

что

Ткаж = 1,60 упас-

Взаимосвязь величины насыпного и кажущегося удельного веса широко использовалась в работе для оценки доли внешне­

§ II—5. Гранулометрический анализ топлива

Измельченное топливо характеризуется распределением частиц по их размерам, иными словами, частотой наблюдения

из видов гранулометрического анализа. Гранулометрический, анализ имеет целью изучение характеристик больших групп частиц, близких по своим средним размерам.

Разделение частиц по размерам применяется в промышлен­ ности для приготовления смесей частиц определенных фрак­ ций. В частности, классификация является частью технологи­ ческих процессов в энергетике, электродной и абразивнойпромышленности, приготовлении лекарств, красок и т. д. Качество этих процессов контролируется гранулометрическим анализом. В науке гранулометрический анализ используется при исследовании свойств грунтов и донных отложений, ско­ рости протекания химических реакций и растворения, сыпучих свойств и т. п.

Гранулометрический анализ находит применение при изу­ чении вопроса о скорости и равномерности горения частиц, разных размеров в пылевзвеси или отдельных групп частиц узкого фракционного состава.

В зависимости от состояния, в котором находится образец- (порошок, взвесь, эмульсия, аэрозоль и т. д.), предельных размеров частиц в образце, а также специальных требований, поставленных при изучении частиц, применяются те или иные методы гранулометрического анализа. Эти методы основаны на седиментации частиц из суспензий, измерении размеров^ частиц и подсчете их количества под микроскопом, механиче­ ском разделении частиц на ситах, изменении электропровод­ ности электролитов, в которых взвешены частицы, и т. д. Средний диаметр частиц определяется с помощью оценкигазопроницаемости [102], адсорбции [103], ступенчатогоосаждения частиц [104], рассеяния света [105], рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами [106], насыпного объема [107] и т. д. Каждая из упомянутых групп включает несколько методов.

К седиментационным методам гранулометрического ана­ лиза относятся:

1) метод декантации суспензий и отбора проб суспензии- при ее отстаивании (метод пипеток);

2) метод классификации, при котором проводится отмучивание частиц в жидкости, движущейся с разной скоростью' (метод Шеле и др.);

не гравитацией, а центрифугированием при переменном числе оборотов.

частиц и подсчитывается их количество. В качестве этих разме­ ров берется средняя величина между двумя перпендикуляр­ ными размерами, один из которых наибольший. Иногда за раз­ мер частиц принимается отрезок, который делит проекцию частиц на две части, равные по площади [108, 112]. Для боль­ шей объективности при каждом анализе необходимо измерять размеры нескольких сотен частиц (более 400 штук) [112]. Измерения мелких частиц удобнее проводить по микрофото­ графиям или при проектировании поля микроскопа на экран. Это особенно часто практикуется при использовании электрон­ ного микроскопа. Наряду с немеханизированным счетом раз­ меров частиц и их количества, в последние годы находят применение автоматические приборы [ИЗ—115]. При наблю­ дении под оптическим микроскопом, кроме размеров проекции частицы, может быть определена толщина ее [90]. Микроскопи­ ческий метод считается наиболее объективным из всех методов гранулометрического анализа, однако он дает наилучшие результаты для более узкого фракционного состава, особенно при немеханизированном счете [116].

На принципе изменения электропроводности электролита, в котором взвешены частицы, основан счетчик Коултера [100, 117]. Этот прибор позволяет оценивать распределение разме­ ров частиц в диапазоне 5-f-100 мк. При этом методе суспензия течет через небольшое отверстие, на каждой стороне которого расположены погруженные в жидкость электроды. Концент­ рация частиц должна быть такой малой, чтобы частицы прохо­ дили через отверстие одна за другой. При этом, в зависимо­ сти от размеров частиц, регистрируется та или иная величина проводимости.

Наиболее просто можно получить узкие фракции топлива и определить распределение частиц по размерам с помощью ситового метода разделения [111, 118]. Основной недостаток ситового анализа, связанный с невозможностью использования

жом появились сита с отверстиями, размер которых не превы­ шает 10 мк. Отверстия пробиваются на фольге электроискро­ вым способом или гальваническим осаждением никеля на плетеных ситах.

Для полного разделения материала на ситах необходимо длительное время, так как по мере разделения общее коли­ чество проходящих через сито частиц резко уменьшается. Функция скорости разделения от времени выражается лога­ рифмической кривой [118—120]. При длительном разделении может возникнуть погрешность, связанная с истиранием частиц. Длительность ситового анализа и качество разделения зависят не только от природы материала, но и от величины загрузки. Идеальной с этой точки зрения является такой объем навески, который в результате анализа дает на каждом сите слой толщиной в одну частицу. При выполнении этого условия вес навески должен быть очень малым, что, в свою очередь, уменьшает точность анализа. Скорость разделения можно значительно повысить с помощью специальных добавок. Эти добавки (до. 1—2% от веса порошка) резко повышают его текучесть. В качестве такой добавки используется трикальцийфосфат [121].

Условия проведения ситового анализа выбирают эмпирическим путем, хотя для получения сопоставимых результатов эти условия обычно стандартизируются.

При 'Ситовом анализе навеска рассеивается на нескольких ситах, на каждом из которых остаются частицы в некотором

Как правило, ситовой анализ проводится на рассевочных машинах различных конструкций с встряхивающими устройст­ вами. Эти машины оказываются малоэффективными для раз­ деления частиц менее 60 мк. Для увеличения скорости и ка­

Эти приемы позволяют исключить забивание сит вследствие прилипания мелкой пыли к ним.

При рассмотрении под микроскопом фракционированного на ситах порошка можно заметить прилипание мелких части­ чек (размером менее 1 мк) к крупным. Их приходится отмывать в воде или отделять на виброустройствах.

Метод виброразделения с отмучиванием на воздухе нашел применение для получения узких фракций топлива размером 1—40мк[124].

Все методы изучения дисперсного состава материалов под­ робно рассмотрены в монографии Ирани и Коллинса [111].

Для ситового анализа в настоящей работе использовался набор сит н рассевочная машина производства ЧССР. Дли­ тельность рассева устанавливалась по часовому механизму. Скорость вращения сит, частота ударов при анализах были постоянны. Процесс считался законченным, если в течение пяти минут при контрольном рассеивании вручную через сито проходило не более 0,1% веса всей пробы. Во время анализа нижняя плоскость мелких сит (40—63 мк) периодически очищалась от адгезированной пыли.

Гранулометрический анализ частиц топлива размером менее 40 мк проводился под микроскопом. Для микроскопиче­ ского анализа изготовлялись препараты на канадском бальза­ ме. На предметном стекле тщательно размешивалась отобран­ ная проба в 10—15 мг с каплей вязкого раствора бальзама в ксилоле. Затем суспензия накрывалась покровным стеклом, которое прижималось к предметному стеклу и фиксировалось

по всему полю препарата при продольных перемещениях пред­ метного столика до границы шлифа. Затем столик смещался на определенную величину в поперечном направлении и под­ счет проводился вновь. Наряду с немеханизированным счетом в работе использовался счетный прибор Quantirnet 720 с ЭВМ фирмы Metals Research [115]. Прибор позволяет очень быстро

на весовое распределение с учетом фактора формы. В качестве определяющего размера принимался наименьший размер в се­ чении. Это было сделано для правильного сопоставления микро­ скопического и ситового анализов. При анализе под микроско­ пом не учитывались частицы размером менее 3 мк. Весовая доля этих частиц в топливе обычно составляет не более

§ II—6. Оценка шероховатости внешней поверхности

Для исследования измерений шероховатости внешней по­ верхности при выгорании крупных частиц топлива можно вос­ пользоваться методами, применяемыми в машиностроении [125—128] и электрохимии [129]. С этой целью обычно приме-

ияются интерференционные приборы, основанные на принци­ пах светового сечения и теневой проекции профиля поверх­ ности, а также щуповые профилографы — профилометры. Последние являются наиболее точными приборами, однако не всегда могут быть использованы для изучения рельефа

Двойной микроскоп сконструирован по принципу светового сечения профиля неровностей поверхности. Он состоит из про­ ектирующего микроскопа, направляющего узкую полосу света на исследуемую поверхность, и микроскопа наблюдения, рас­ положенного к нему под углом 90°. Светящаяся щель смещает­ ся у поверхности и этим самым фиксируется ее рельеф. Высота

насадки, установленной на микроскопе, можно фотографиро­ вать профиль поверхности крупных частиц топлива до выгора­ ния и после. Обычно перед опытом участок поверхности круп« ного куска топлива подвергается шлифованию.

Весьма перспективным методом для изучения изменения микрорельефа наружной поверхности выгоревших мелких ча­ стиц диаметром до 10 мк может служить метод шлифа. Он широко используется в петрографии [130, 131], металловедении

[132]и для исследования микронеровностей поверхностей,

получаемых при электролитическом осаждении металлов [133 и др.]. В последнем случае деталь рассекается и шлифуется поперечно слою осажденного металла.

Обычно шлифы изготавливаются из смеси мелких частиц топлива с заполнителем, в качестве которого используются шеллак, канифоль и другие компоненты. Смесь нагревается до расплавления шеллака и формуется в виде цилиндра, основа­ ние которого затем шлифуется и полируется. Такая методика имеет ряд недостатков. Шеллак с трудом проникает в поры •и микронеровности поверхности частиц. При формировании брикета возможно повреждение вспученных тонкостенных частиц коксовых остатков и недожога.

В работе применялась вакуумная заливка образцов эпок­ сидной смолой ПД-5. Этот метод широко используется за рубе­ жом [134]. Устройство для приготовления образцов (рис. 'II—8) состоит из стеклянного цилиндра, в котором находится подвижная каретка с закрепленными формами в виде бумаж­ ных стаканчиков, пропитанных клеем. В формы засыпаются пробы топлива (или его остатков после неполного выгорания). Пробы вакуумируются и нагреваются до 100° в течение 30 ми­ нут. Затем каретка передвигается к заливочному цилиндру •и стаканчики заполняются эпоксидной смолой. При впуске

в устройство воздуха смола проникает в видимые поры. После полимеризации образец шлифуют, полируют и затем иссле­ дуют под микроскопом. Рельеф поверхности и ее шерохова­ тость оцениваются визуально или измерением неровностей на фотографиях.

§ II—7. Микроскопическое исследование пористой текстуры пор

Методы микроскопии открывают широкие возможности при исследовании изменений внутрнпористой структуры твердых топлив в процессе горения. Образцы в виде шлифов (§ II—6) рассматриваются в отраженном или поляризованном свете. Под микроскопом можно наблюдать и фотографировать рас­ положение и форму макропор размером 1 мк и выше у коксов, форму зерен и промежутков между ними у искусственных углеграфитовых материалов и т. д. В работе для этих целей использовался металлографический микроскоп МИМ-8М. Этот прибор может применяться для рассмотрения и фотографиро­ вания групп отдельных частичек топлива на стекле в прохо­ дящем свете до и после их частичного выгорания в пылевзвеси и в слое. Это давало возможность подсчитать, происходит ли уменьшение размеров и формы частиц в процессе их выгорания и как интенсивно, т. е. попытаться оценить, каков режим про­ цесса.

Более ясное представление об изменениях, происходящих при горении отдельных частиц топлива, дает наблюдение их