Основы пиротехники

Соотношение между количеством газообразных и твердых продуктов реакции определяется назначением состава и требованиями, предъявляемыми к специальному эффекту, например, в термитных составах газообразные продукты реакции практически отсутствуют, в дымовых и имитационных звуковых составах составляют 40...50% от массы состава и, наконец, в реактивных составах практически 100%.

Количество газообразных продуктов, получающихся в результате сгорания 1г пиротехнического состава, принято выражать не по массе, а по объему, занимаемому ими при нормальных условиях. Этот объем газообразных продуктов называется удельным объемом и обозначается через V₀. Обычно, при вычислениях к объему занимаемому образующимися при реакции газами, добавляется также объем, занимаемый при нормальных условиях образующимися в процессе реакции парами воды (если она выделяется при реакции или содержится в исходных веществах в виде кристаллогидратов).

Объем V_t газообразных продуктов при температуре реакции горения вычисляют по формуле V_t = V₀(1 + 0,00366t), где t — температура реакции горения состава, V₀ — удельный объем.

В таблице 10 указан объем, занимаемый при нормальных условиях 1граммом газов преимущественно выделяющихся при реакциях горения.

Таблица 10.Удельный объем некоторых газов при нормальных условиях

Газ

Объем [см³/г]

Газ

Объем [см³/г]

Н₂

11200

N₂

800

Н₂O

1247

SO₂

350

C O

800

НСI

614

СО₂

509

СI₂

315

Как видно из таблицы 10, при равной массе наибольший объем в газообразном состоянии занимает водород, а затем пары воды, азот и окись углерода.

Из этого можно сделать вывод, что для получения большего объема газов следует в качестве горючих компонентов пользоваться органическими веществами, содержащими много связанного водорода, а количество окислителя рассчитывать таким образом ,чтобы сгорание горючего происходило только до H₂O и CO или, если это диктуется желанием получить больше тепла, до H₂O и СО₂.

Удельный объем газообразных продуктов реакции определяют по формуле:

где n — число молей газообразных продуктов реакции (сумма коэффициентов при газообразных веществах в правой части уравнения реакции),

m — масса реагирующего состава в граммах,

22,4 — число Авогадро.

Пример: рассчитать V₀ для имитационного состава состоящего из хлората калия, алюминия и углерода, задавшись целью получить состав с возможно большим газовыделением и значительной теплотой горения.

Конструирование состава: зная, что наибольший объем газа в заданной смеси может дать окись углерода, запишем формулу так, чтобы входящий в состав углерод окислился только до окиси углерода:

2KClO₃ + 2Al + 3C = Al₂O₃ + 3CO + 2KCl

Откуда:

Вычислив рецепт состава согласно заданной формуле получим:

73% -KClO₃; 16% -Al; 11%-C.

Естественно, что при охлаждении газов до нормальной температуры реальное значение вычисленного удельного объема будет ниже чем расчетное, так как произойдет конденсация паров хлорида калия.

Задавшись эмпирическим значением температуры горения данного состава равным 2500^°С, можно осуществить прикидочный расчет объема газов при температуре горения. V_t = 333(1 + 0,00366 • 2500) = 3380см³/г. Можно предположить наличие взрывчатых свойств у приведенного состава, учитывая значительный объем газов, выделяющихся в результате горения при данной температуре.

В таблице 11 приведены значения V₀.

Таблица 11. Удельный объем газообразных продуктов реакции горения или взрыва некоторых составов.

Назначение состава

Рецепт состава [%]

Газооб-разные продукты реакции

V₀ СМ³/Г

Масса газов в % от массы состава

Фотосмесь

Ba(NO₃)₂

68

N₂

58

7

Mg

32

Фотосмесь

Ba(NO₃)₂

74

N₂

61

8

AI

26

Термит

Fe₃O₄

75

нет

0

0

AI

25

Осветительный

Ba(NO₃)₂

75

N_2, CO_2, Н₂О

144

21

Mg

21

Идитол

12

Зеленый сигнальный

Ba(CIO3)₂ H₂O

88

СО_{2 ,}Н₂O

330

43

Идитол

12

Красный сигнальный

KCIO₃

57

СО, Н₂О

375

40

SrCO₃

25

Шеллак

18

Красный

дымовой

KCIO₃

35

СО, Н₂О

365

39

Молочный сахар

25

Родамин

40

Дымный порох

KNO₃

75

СО, СО₂

N₂, H₂O

280

43

С

15

S

10

ВВ

c ₆ h ₃ n ₃ o ₇ k

К₂СO₃, СО, СО₂ N₂, Н₂O,

550

61

ВВ

C₆H₃N₃O₇NH₄

24

N₂,H₂O,

CO₂

880

93

NH₄NO₃

76

ВВ

Пироксилин (15% влажности)

N₂, H₂O, СO₂, СО

910

98

Следует отметить, что удельный объем газообразных продуктов для применяемых пиротехнических составов (кроме твердых коллоидных и смесевых ракетных топлив) значительно меньше, чем для основных взрывчатых веществ. Так V₀ для гексогена и октогена составляет 908cм³/г, для тетрила 750см³/г, для тротила 690см³/г, для смеси НТА (94%) с дизельным топливом (6%) примерно 890см³/г.

ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

Температуру горения пиротехнических составов определяют по формуле:

где Q — количество теплоты, выделяющееся при горении состава,

— сумма теплоемкостей продуктов реакции [кал/град],

— сумма скрытых теплот плавления и кипения продуктов горения [ккал],

Искомая температура горения является верхним пределом, так как формула не учитывает потери тепла на излучение и термическую диссоциацию продуктов горения.