ВЫСОКОМЕТАЛЛИЗИРОВАННОЕ  ТОПЛИВО  НА  ОСНОВЕ  АЛЮМИНИЯ  И  ЕГО  ПРИМЕНЕНИЕ

Чернышов  Евгений  Александрович

д-р  техн.  наук,  профессор,  НГТУ  им.  Р.Е.  Алексеева,  г.  Н.  Новгород

Романов  Алексей  Дмитриевич

зав.  лаб.,  НГТУ  им.  Р.Е.  Алексеева,  г.  Н.  Новгород

E-mail: 

HIGH-METALLIZED  FUEL  ON  THE  BASIS  OF  ALUMINIUM  AND  ITS  APPLICATION

Tchernyshov  Evgeny  Aleksandrovich

doctor  of  engineering,  professor,  NNSTU  n.a.  R.E.  Alekseeva,  N.  Novgorod

Romanov  Alexey  Dmitrievich

head  of  the  laboratory,  NNSTU  n.a.  R.E.  Alekseeva,  N.  Novgorod

АННОТАЦИЯ

В  работе  приведены  варианты  применения  высокометаллизированного  топлива  на  основе  алюминия  с  различными  вариантами  окислителя,  которые  были  разработаны  в  СССР  и  России.

ABSTRACT

Options  of  application  of  the  high-metallized  fuel  are  given  in  work  on  the  basis  of  aluminum,  with  various  options  of  an  oxidizer  which  were  developed  in  the  USSR  and  Russia.

Ключевые  слова:  высокометаллизированное  топливо,  алюминий,  оксид  алюминия,  анаэробные,  воздухонезависимые  энергоустановки; 

Keywords:  the  high-metallized  fuel,  aluminum,  aluminum  oxide,  anaerobic,  airindependent  power  installations.

Важной  характеристикой  топлива  является  количество  тепла,  выделяющегося  при  сгорании  топлива  при  взаимодействии  с  окислителем,  и  количество  окислителя,  необходимое  для  сгорания  1  кг  топлива,  при  этом  также  важна  скорость  реакции.  Такие  металлы,  как  Be,  В,  Al,  Mg,  Zr,  Li,  теоретически  обладают  высокими  энергетическими  характеристиками.  Однако  образование  конденсированных  продуктов  при  окислении  металла  приводит  к  тому,  что  процесс  взаимодействия  металла  с  окислителем  выводится  из  кинетической  области  и  течение  процесса  начинает  определяться  диффузионным  сопротивлением  образовавшегося  оксида  [6].

С  практической  точки  зрения  из  указанных  металлов  лучшим  по  применению  в  качестве  горючего  является  алюминий,  поскольку  он  безопасен  в  обращении,  имеется  в  большом  количестве  и  имеет  сравнительно  не  большую  стоимость.  Срок  хранения  алюминия  практически  неограничен,  и  его  запасы,  по  сравнению  с  углеводородными  горючими,  являются  более  компактными  (плотность  алюминия  —  2,7  г/см³;  плотность  углеводородных  горючих  —  менее  0,8  г/см³).  Особый  интерес  представляет  реакция  окисления  алюминия  кислородом  и/или  водой,  так  как  при  этом  выделяется  значительное  количество  тепловой  энергии.  При  окислении  кислородом  1  кг  алюминия,  выделяется  около  30  МДж  тепловой  энергии,  для  полного  сжигания  1  кг  алюминия  требуется  почти  вчетверо  меньше  кислорода,  чем  для  1  кг  углеводородного  топлива  [2—5,  7].

Одним  из  первых  идею  использования  алюминия  в  качестве  горючего  еще  в  1924  году  предложил  отечественный  ученый  Ф.А.  Цандер,  по  его  замыслу  можно  использовать  алюминиевые  элементы  космического  корабля  в  качестве  дополнительного  горючего.  В  30  годы  XX  века  М.А.  Рудницкий  предложил  использовать  на  субмарине  паротурбинную  силовую  установку,  в  которой  вместо  жидкого  топлива  предлагалось  сжигать  алюминий  в  среде  газообразного  кислорода  [8,  с.  32].  Предложение  основывалось  на  том  факте,  что  при  активном  соединении  алюминия  или  магния  с  кислородом  выделяется  значительное  количество  теплоты  и  совершенно  не  выделяются  вредные  для  человека  газы.  Но  из-за  чрезвычайно  высокой  в  то  время  стоимости  алюминия  от  детальной  разработки  проекта  пришлось  отказаться.  Также  была  предложена  энергетическая  установка  конструкции  Иванова  [1,  с.  193].

В  настоящее  время  ФГУП  РНЦ  «Прикладная  химия»  совместно  с  ФГУП  ЦКБ  «Рубин»  и  ФГУП  «Адмиралтейские  Верфи»  создана  установка  непрерывного  получения  водорода  методом  гидротермального  окисления  порошков  алюминия.  Расход,  чистота  и  давление  получаемого  на  установке  водорода  обеспечивают  потребность  электрохимического  генератора  работающего  на  водородном  топливе  [1,  9].

Гидрореактивные  двигатели  используют  в  качестве  окислителя  и  рабочего  тела  забортную  морскую  воду.  В  камере  сгорания  тепловая  энергия,  выделившаяся  при  сгорании  топлива  в  парах  воды,  затрачивается  на  испарение  воды.  Смесь  паров  воды  и  продуктов  сгорания  топлива  при  истечении  из  сопла  обеспечивает  получение  необходимой  тяги.  Особенностью  некоторых  глубоководных  установок,  работающих  на  морской  воде  является  то  что  алюминий  размещается  в  отсеке,  представляющем  собой  резервуар  высокого  давления,  наружная  стенка  которого  служит  оболочкой.  Алюминий  нагнетается  в  камеру  сгорания  под  давлением  забортной  воды,  которая  подается  по  трубопроводу,  проходящему  через  алюминиевую  шашку  в  переднюю  часть  отсека  горючего.  Камера  сгорания,  где  происходит  реакция  алюминия  с  водой,  выполнена  как  одно  целое  с  корпусом  отсека  горючего,  и  является  его  кормовой  оконечностью,  передняя  часть  которой  соприкасается  с  горючим.  В  установившемся  режиме  теплота  передается  от  камеры  сгорания  к  горючему  в  зоне  контакта  для  образования  расплавленного  алюминия,  который  затем  в  жидком  виде  поступает  в  камеру  сгорания.  Также  в  СССР  со  второй  половины  1950-х  гг.  в  НИИ-24  проводились  исследования  по  созданию  активно-реактивных  снарядов  с  прямоточным  воздушно-реактивным  двигателем.  В  этих  снарядах  в  качестве  окислителя  применяли  кислород.  Затем  проверялось  использование  в  качестве  окислителя  морской  воды.  НИИ  прикладной  химии  для  исследований  отработал  технологию  и  создал  твердотопливные  заряды  на  гидрореагирующем  топливе.  Это  создало  предпосылки  к  началу  опытно-конструкторских  работ,  которые  в  конечном  итоге  привели  к  созданию  скоростной  подводной  противолодочной  ракеты  для  подводных  лодок  «Шквал».

Воздухонезависимые  энергетические  установки  на  основе  газо-паротурбинных  установок  замкнутого  цикла  с  использованием  различных  комбинаций  топлива  и  окислителя  (Mg  +  CO₂,  Al  +  CrO₃/S/Fe₂O₃,  Li  +  CrO₃  и  др.)  исследовались  в  Военно-морском  инженерном  институте  (ВМИИ,  г.  Санкт-Петербург)  [4,  с.  107]  Также  запатентован  и  испытан  ряд  установок  на  базе  алюмосодержащих  термитных  смесей  и  двигателя  Стирлинга  могут  быть  использованы  в  качестве  энергетической  установки  для  объектов  специального  назначения.  Достигаемый  технический  результат  —  повышение  эффективности  и  надежности  работы,  упрощение  конструкции,  уменьшение  массогабаритных  характеристик  и  стоимости  энергетической  установки  с  двигателем  Стирлинга.  Выделившаяся  при  сгорании  топлива  теплота  из  высокотемпературной  области  за  счет  теплопроводности  топлива  и  продуктов  его  сгорания  передается  к  стенкам  теплового  генератора  и  передается  стенкам  нагревателя  двигателя  Стирлинга  что  обеспечивает  его  работу.  При  работе  двигателя  Стирлинга  механическая  энергия  преобразуется  в  электрическую  с  помощью  электрогенератора  [4,  10—15]

Также  установки  на  основе  безгазового  топлива  разрабатываются  для  аварийного  обогрева  водолазов  [2].  Особым  направлением  является  применение  металлов  в  качестве  топлива  для  источников  энергии  космической  техники,  в  частности  для  исследования  планет  с  отличной  от  земной  атмосферой.

Список  литературы:

1.Васильев  В.А.,  Чернышов  Е.А.,  Романов  И.Д.,  Романова  Е.А.,  Романов  А.Д.  История  развития  подводных  лодок  с  воздухонезависимыми  энергоустановками  в  России  и  СССР  Труды  НГТУ  им.  Р.Е.  Алексеева.  2012.  №  4.  С.  192—202.

2.Генкин  А.Л.  и  др.  Анаэробный  источник  теплоты  на  безгазовом  топливе  для  аварийного  обогрева  водолазов.  Судостроение  2010,  №  2.

3.Дмитриев  А.Л.,  Иконников  В.К.,  Кириллов  А.И.,  Рыжкин  В.Ю.,  Ходак  Е.А.  Автономные  комбинированные  энергоустановки  с  топливными  элементами,  работающие  на  продуктах  гидротермального  окисления  алюминия.  //  Международный  научный  журнал  «Альтернативная  энергетика  и  экология»,  2008.  №  11.  —  С.  10—16. 

4.Дядик  А.Н.,  Замуков  В.В.,  Дядик  В.А.  Корабельные  воздухонезависимые  энергетические  установки.  СПб:  Судостроение.  2006.  424  с.

5.Иванов  В.Г.,  Сафронов  М.Н.,  Гаврилюк  О.В.  Макрокинетика  окисления  ультрадисперсного  алюминия  в  жидкой  фазе  //  Физика  горения  и  взрыва.  —  2001.  —  Т.  37.  —  №  2.

6.Кофстад  П.А.  Высокотемпературное  окисление  металлов.  —  М.:  Мир,  1969.  392  с.

7.Ляшко  А.П.  и  др.  Особенности  реакции  ультрадисперсного  алюминия  с  водой  в  режиме  горения//  Физика  горения  и  взрыва.  —  2000.  —  Т.  3б.  —  №  2.  —  С.  60—65.

8.Морозов  М.Э.,  Кулагин  К.Л.  "Эски"  в  бою.  Подводные  лодки  Маринеско,  Щедрина,  Лисина.  Эксмо,  2008  г.,  148  с.

9.Рыжкин  В.Ю.  Технология  и  аппаратурное  оформление  получения  водорода  гидротермальным  окислением  алюминия  для  энергетических  установок,  автореферат  на  соискание  ученой  степени  кандидата  технических  наук,  2010  г.

10.Патент  РФ  №  2162755.

11.Патент  РФ  №  2165388.

12.Патент  РФ  №  2241721.

13.Патент  РФ  №  2223221.

14.Патент  РФ  №  2258827. 

15.Патент  РФ  №  2261355.