大容量氧燭隔熱防護(hù)與熱損分析

翟 康，唐 平，路中華，張 衍，聶少云

(中國(guó)工程物理研究院 a.化工材料研究所; b.安全彈藥研發(fā)中心，四川綿陽(yáng) 621000)

氧燭是較新型的化學(xué)產(chǎn)氧設(shè)備，啟動(dòng)后能使內(nèi)部含氧材料反應(yīng)，持續(xù)放出可供人體直接呼吸的純凈氧氣。具有單位體積小，儲(chǔ)氧量大，使用過(guò)程無(wú)需外加動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)。20 世紀(jì)60年代，美國(guó)將其作為應(yīng)急氧源裝配到核潛艇上。目前氧燭廣泛應(yīng)用于航空航天，艦船潛艇，高原洞庫(kù)等環(huán)境［1-5］。同時(shí)研究人員在配方設(shè)計(jì)、成型工藝、氧燭結(jié)構(gòu)等方面也持續(xù)進(jìn)行研究［6-11］。

在氧燭反應(yīng)放氧的過(guò)程中，為了維持內(nèi)部含氧材料的持續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)溫度需要長(zhǎng)時(shí)間維持在300℃左右，這就導(dǎo)致包裹含氧材料的機(jī)械外殼也持續(xù)高溫，會(huì)對(duì)使用環(huán)境造成很大的影響，同時(shí)高溫容易對(duì)人員造成傷害，所以對(duì)大容量氧燭進(jìn)行隔熱處理是極有必要的［9］。

當(dāng)隔熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)后，會(huì)影響氧燭內(nèi)部的溫度場(chǎng)，導(dǎo)致氯酸鈉分解反應(yīng)的過(guò)程中溫度升高，氯酸鈉在較高溫度下分解會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生有毒氯氣。所以需要改變含氧材料中金屬燃料的含量。當(dāng)采用試驗(yàn)手段進(jìn)行隔熱材料和結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證，需要耗費(fèi)大量人力和物力。

本文利用數(shù)值模擬軟件分析二氧化硅氣凝膠氈的隔熱效果，計(jì)算氧燭隔熱材料添加前后的熱損速率，對(duì)改進(jìn)和設(shè)計(jì)大容量氧燭有積極的指導(dǎo)意義。

1 氧燭原理

氧燭的產(chǎn)氧原理是氯酸鹽加熱分解產(chǎn)生氧氣。早期采用氯酸鉀，但由于氯酸鉀吸潮并且不易點(diǎn)燃，目前大部分氧燭均采用氯酸鈉作為含氧原料，化學(xué)反應(yīng)方程式如下

如圖1 所示，氧燭一般由啟動(dòng)點(diǎn)火裝置，含氧藥塊，氣體過(guò)濾材料和外殼構(gòu)成。含氧藥塊為主體，氯酸鈉為氧源; 金屬粉燃料提供熱量，維持反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，常用鐵粉、錳粉、鎂粉等;加入催化劑提高反應(yīng)速率，如鈷的氧化物;加入生石灰抑制產(chǎn)生的少量氯氣。經(jīng)過(guò)混合壓制形成含氧藥塊。為提高藥塊壓藥強(qiáng)度，常加入玻璃纖維、硅藻土等作為黏合劑。外殼起機(jī)械支撐作用，常采用不銹鋼。氣體過(guò)濾材料過(guò)濾氧氣中的雜質(zhì)、顆粒、微量氯氣［10-12］。

圖1 大容量氧燭結(jié)構(gòu)示意圖

2 氧燭熱損分析

2.1 氯酸鹽分解副反應(yīng)

當(dāng)對(duì)氧燭進(jìn)行隔熱處理后，會(huì)改變殼體內(nèi)部的熱量場(chǎng)，在藥柱配方不變的情況下，導(dǎo)致產(chǎn)氧藥柱反應(yīng)溫度升高，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，氯酸鈉會(huì)按下式進(jìn)行分解，放出氯氣［13］

為了防止氯氣的產(chǎn)生，應(yīng)對(duì)隔熱材料添加前后的熱損量進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)前后對(duì)比，來(lái)減少藥塊配方中金屬燃料的添加量，使內(nèi)部溫度始終維持在氯酸鈉分解的適合溫度。

2.2 熱損對(duì)比

將氧燭簡(jiǎn)化為一維穩(wěn)定導(dǎo)熱模型，如圖2 所示。整個(gè)氧燭機(jī)械外殼和隔熱材料簡(jiǎn)化為均質(zhì)圓筒壁和底部的圓形平板。

均勻物質(zhì)內(nèi)存在溫度梯度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部能量傳遞，能量傳遞的速率為［14］

圖2 簡(jiǎn)化氧燭模型

未加隔熱材料時(shí)，底部為勻質(zhì)圓形平板，不銹鋼熱導(dǎo)系數(shù)簡(jiǎn)化為常數(shù)，將式(1)分離變量并積分，底部圓板不銹鋼傳導(dǎo)熱流為

對(duì)于不銹鋼勻質(zhì)圓筒壁，垂直于徑向傳導(dǎo)熱流方向的面積為(r2+r3)πL，L 為圓筒長(zhǎng)度，帶入式(3)進(jìn)行積分，整理后可得

式中:Δxa為不銹鋼厚度;ka為不銹鋼熱導(dǎo)系數(shù);T1為氧燭藥塊反應(yīng)溫度;T3為未加隔熱材料時(shí)筒壁溫度; T1、T3可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量。

添加隔熱材料后，底部看作隔熱材料和不銹鋼復(fù)合平板，在穩(wěn)態(tài)情況下，根據(jù)能量守恒，導(dǎo)熱率

將筒壁看作隔熱材料和不銹鋼的雙層圓筒，導(dǎo)熱率

式中:Δxb為隔熱材料厚度; kb為隔熱材料熱導(dǎo)系數(shù); T'3為添加隔熱材料后筒壁溫度。

設(shè)ε 為隔熱材料添加前后，其導(dǎo)熱造成的傳熱速率差

同時(shí)，氧燭反應(yīng)放出的氧氣仍是處于比較高的溫度，氧氣會(huì)攜帶熱量排出殼體，對(duì)于維持內(nèi)部氯酸鈉反應(yīng)溫度時(shí)，這部分由氧氣攜帶出的熱量需進(jìn)行考慮，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)出氧口釋放的氧氣溫度T 進(jìn)行檢測(cè)，基本維持80℃左右，所以熱能的傳遞可以看作是穩(wěn)態(tài)過(guò)程，其攜帶的熱量就可根據(jù)

進(jìn)行計(jì)算。式中:m0為氧氣釋放質(zhì)量，根據(jù)配方中氯酸鈉含量進(jìn)行計(jì)算;C0為氧氣比熱容。

添加隔熱材料時(shí)，根據(jù)ε 值，對(duì)原有配方中金屬粉含量進(jìn)行調(diào)整，保證殼體內(nèi)部熱場(chǎng)與隔熱材料添加前一致，維持內(nèi)部溫度不變，抑制產(chǎn)生氯氣的副反應(yīng)進(jìn)行; 當(dāng)對(duì)氧燭進(jìn)行初始設(shè)計(jì)時(shí)，則需考慮q'1、q'2、q0對(duì)內(nèi)部熱量的熱損，來(lái)確定藥塊中金屬粉含量。

3 氧燭隔熱防護(hù)數(shù)值模擬

大容量氧燭產(chǎn)氧3 000 L，持續(xù)時(shí)間45 min。內(nèi)部藥塊產(chǎn)生的熱量一部分隨高溫氧氣釋放到環(huán)境中，另一部分通過(guò)導(dǎo)熱傳遞至隔熱結(jié)構(gòu)和不銹鋼外殼。在實(shí)際大容量氧燭穩(wěn)定放氧過(guò)程中，用紅外測(cè)溫儀對(duì)藥塊表面進(jìn)行測(cè)量，氧燭內(nèi)部反應(yīng)溫度維持在260℃左右，可作為恒定溫度載荷加載至外殼和隔熱材料。以熱傳導(dǎo)能量控制方程為基礎(chǔ)，基于ANSYS有限元軟件對(duì)氧燭隔熱防護(hù)進(jìn)行分析。

3.1 模型建立

氧燭尺寸Φ140 ×400 mm，上端面開(kāi)Φ30 出氧氣口。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取四分之一建立三維模型。選擇quads only 網(wǎng)格、Solid70 單元對(duì)幾何模型經(jīng)行空間離散。模型內(nèi)部根據(jù)氧燭中實(shí)際藥塊尺寸，加載恒定溫度載荷260℃，仿真模型如圖3所示。

圖3 氧燭外殼和隔熱材料FEM 模型

外殼為1.5 mm 厚不銹鋼。隔熱材料選用二氧化硅氣凝膠棉氈［7-8］，熱傳導(dǎo)系數(shù)0.02 w/(mK)，比熱容330 kJ/（m3·K）密度220 kg/m3，采用不同厚度分別建模。不銹鋼密度7 850 kg/m3，比熱500 J/kg℃，熱導(dǎo)系數(shù)15w/(mK)，外殼尺寸Φ140 ×400mm，空氣對(duì)流系數(shù)20w/(m2·K）。

求解時(shí)，采用損態(tài)求解器求解，時(shí)間2 700 s，輸出步數(shù)設(shè)100，設(shè)定環(huán)境溫度25℃，初始溫度25℃。

3.2 仿真結(jié)果與討論

模擬隔熱材料二氧化硅氣凝膠棉氈分別為3 mm、6 mm、10 mm 3 種工況。圖4 ～圖6 為第45 min 時(shí)，添加不同厚度的隔熱材料，氧燭外殼的溫度分布云圖。由于只關(guān)心外殼溫度情況，取消了顯示隔熱材料，僅顯示不銹鋼外殼溫度分布。

內(nèi)部溫度載荷加載為產(chǎn)氧藥塊接觸外殼的范圍，所以，溫度在外殼豎直方向呈現(xiàn)由下至上逐漸降低的梯度，在出氧口附近溫度最低，在藥塊中心高度位置對(duì)應(yīng)的殼體外，出現(xiàn)溫度最高點(diǎn)，這與實(shí)際對(duì)氧燭反應(yīng)過(guò)程中，對(duì)溫度監(jiān)控得到的情況一致。隨著隔熱材料的加厚，外殼最高溫度依次降低。

圖4 3 mm 厚隔熱材料氧燭外殼體溫度分布云圖

圖5 6 mm 厚隔熱材料氧燭外殼體溫度分布云圖

圖6 10 mm 厚隔熱材料氧燭外殼體溫度分布云圖

表1 不同隔熱材料厚度對(duì)應(yīng)外殼溫度

二氧化硅氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)低［15-16］，絕熱效果良好，但是由于大容量氧燭內(nèi)部熱源尺寸較大，且長(zhǎng)時(shí)間維持較高溫度，所以，需要采取較厚的棉氈才能滿(mǎn)足固氧的正常使用要求。由數(shù)值模擬可知，二氧化硅氣凝膠棉氈在厚度在10 mm時(shí)，隨著固氧發(fā)生器內(nèi)部藥塊持續(xù)燃燒，外殼最高溫度為50.487℃，大部分時(shí)間處于50℃以下，已完全滿(mǎn)足隔熱要求。

圖7 是不同厚度隔熱材料在45 min 內(nèi)溫度時(shí)程曲線(xiàn)。隨著氧燭放氧過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，外部殼體溫度會(huì)逐漸升高，通過(guò)對(duì)氧燭的隔熱處理可以有效地降低外殼溫度，同時(shí)減緩升溫速率。

圖7 添加不同隔熱厚度的時(shí)外殼溫度時(shí)程曲線(xiàn)

圖8為隔熱材料厚度與外殼最高溫度的擬合曲線(xiàn)。以3 mm、6 mm、10 mm 對(duì)應(yīng)的最高溫度做散點(diǎn)圖，用二次方程進(jìn)行擬合，得到相關(guān)性較高的曲線(xiàn)方程，表征二氧化硅氣凝膠氈厚度與外殼最高溫度數(shù)值關(guān)系

式中:T 為外殼最高溫度;Δ 為隔熱材料厚度。

圖8 隔熱材料厚度Δ 與外殼最高溫度T 擬合曲線(xiàn)

大容量氧燭采用8 mm 厚二氧化硅氣凝膠棉氈進(jìn)行隔熱，在20℃室溫環(huán)境下點(diǎn)燃啟動(dòng)，待放氧穩(wěn)定后，用紅外線(xiàn)溫測(cè)儀進(jìn)行外殼溫度記錄，在持續(xù)穩(wěn)定放氧期間，試驗(yàn)測(cè)得最高溫度在殼體柱面上，達(dá)到55℃。通過(guò)式(10)計(jì)算當(dāng)隔熱材料8 mm 時(shí)，溫度為61℃，與實(shí)際誤差較小，對(duì)氧燭的數(shù)值模擬基本符合實(shí)際情況。

4 結(jié)論

本研究將大容量氧燭簡(jiǎn)化為一維熱傳導(dǎo)模型，將氧燭結(jié)構(gòu)分為圓筒壁和平面底板進(jìn)行考慮，對(duì)隔熱材料添加前后的熱損速率進(jìn)行了計(jì)算，并考慮釋放的氧氣帶走的熱量損失，通過(guò)計(jì)算可有效地維持氧燭內(nèi)部溫度場(chǎng)，指導(dǎo)氧燭配方的調(diào)整和設(shè)計(jì)，確保氧燭產(chǎn)品安全可靠的使用。采用ANSYS 對(duì)二氧化硅氣凝膠氈的隔熱效果進(jìn)行分析，計(jì)算表明，二氧化硅氣凝膠氈對(duì)氧燭的隔熱有較好的效果，當(dāng)采用10mm 厚氣凝膠氈時(shí)，氧燭放氧過(guò)程中，機(jī)械外殼的最高溫度為50℃左右，并在反應(yīng)大部分時(shí)間處于較低的安全溫度。

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