DE1158884B

DE1158884B - Exothermic mixture

Info

Publication number: DE1158884B
Application number: DEA38558A
Authority: DE
Inventors: Albert Emerson Lemke
Original assignee: Aerojet General Corp
Current assignee: Aerojet Rocketdyne Inc
Priority date: 1960-10-21
Filing date: 1961-01-14
Publication date: 1963-12-05
Also published as: FR1305700A; US3183133A; GB1002446A; LU40720A1

Description

Die Erfindung betrifft ein exotherm reagierendes Gemisch und hat die Verbesserung der Abbrandgeschwindigkeit und sonstiger Eigenschaften von wärmeerzeugenden Gemischen zum Ziel. Besondere Anwendung findet die Erfindung bei festen Brennstoffen, welche sich für den Unterwasserbetrieb und für Zündvorrichtungen eignen.The invention relates to an exothermic mixture and has the improvement of the burning rate and other properties of heat-generating mixtures to the goal. The invention finds particular application in solid fuels, which are suitable for underwater use and for ignition devices.

Die bekannten Antriebsaggregate von Unterwassergeschossen verwenden als Brennstoffe innige Gemische feinzerteilter anorganischer oxydierender Salze, z. B. solche von Chloraten, Perchloraten, Chromaten oder Dichromaten eines Metalls, welche in einem feinzerteilten, leicht oxydierbaren Metall dispergiert sind, welches während der Oxydation große Wärmemengen freisetzt, wofür Beryllium, Aluminium und Magnesium als Beispiel genannt werden können. Wärmeerzeugende Brennstoffgemische dieser Art sind besonders für militärische Unterwasserzwecke sehr geeignet, da sie beim Verbrennen keine nichtkondensierbaren Gase erzeugen. Diese Gase würden nämlich eine höchst unerwünschte sichtbare Welle erzeugen. Infolge ihrer kompakten Beschaffenheit und der Eigenschaft, keine unerwünschten Gase zu bilden, können derartige Brennstoffe auch mit Erfolg zum Brennen und Schneiden von Metall verwendet werden, z. B. zum Schneiden von Rohrleitungen in Ölquellen. Leider wird jedoch der Verbrennungsvorgang solcher Brennstoffe bei hohen Drücken instabil, und diese Eigenschaft führt zu einer unerwünschten Begrenzung derjenigen Bedingungen, unter welchen die Brennstoffe entweder für den Unterwasserantrieb oder für das Schneiden von Metallen verwendet werden können. Bei der Verwendung unter Wasser werden die Brennstoffe in Gegenwart von Wasser verbrannt, und die Antriebskraft wird durch Verdampfen des Wassers erzeugt. Die Größe dieser Antriebskraft hängt von der Größe derjenigen Wärmemenge ab, welche für die Dampferzeugung während des Zeitraumes zur Verfügung steht, in welchem sich das Geschoß in Bewegung befindet. Die zur Verfügung stehende Wärmemenge ist ihrerseits von den Eigenschaften des verwendeten Gemisches und von der bei der Verbrennung verbrauchten Brennstoffmenge abhängig. Bei Unterwassergeschossen ist die Brennfläche des Brennstoffes wegen der räumlichen Beschränkungen, die bei der Konstruktion solcher Geschosse berücksichtigt werden müssen, auf einen gegebenen Querschnitt beschränkt. Um daher die durch das Verbrennen eines solchen Brennstoffes erzeugte Antriebskraft zu erhöhen, ist es notwendig, die lineare Verbrennungsgeschwindigkeit des Brennstoffes zu vergrößern.The known drive units of underwater projectiles use intimate mixtures as fuels finely divided inorganic oxidizing salts, e.g. B. those of chlorates, perchlorates, chromates or dichromates of a metal, which are dispersed in a finely divided, easily oxidizable metal which releases large amounts of heat during oxidation, for which beryllium, aluminum and magnesium can be cited as examples. Heat generating fuel mixtures are of this type particularly suitable for military underwater purposes, as they do not contain any non-condensable when burned Generate gases. Namely, these gases would create a highly undesirable visible wave. Due to their compact nature and the property that they do not form any undesired gases, such fuels can also be used successfully for burning and cutting metal, z. B. for cutting pipelines in oil wells. Unfortunately, however, the combustion process becomes such fuels are unstable at high pressures, and this property leads to an undesirable one Limitation of those conditions under which the fuels are either for underwater propulsion or can be used for cutting metals. When used underwater will be the fuels are burned in the presence of water, and the driving force is by evaporation generated by the water. The size of this driving force depends on the size of that amount of heat which is available for steam generation during the period in which the Floor is in motion. The amount of heat available is in turn dependent on the properties the mixture used and the amount of fuel consumed during combustion addicted. With underwater projectiles the burning surface of the fuel is due to the spatial restrictions, that must be taken into account in the construction of such floors, on a given Cross-section restricted. Hence, the one generated by the burning of such fuel To increase driving force, it is necessary to increase the linear combustion speed of the fuel enlarge.

Exotherm reagierendes GemischExothermic reacting mixture

Anmelder:Applicant:

Aerojet-General Corporation,
Azusa, Calif. (V. St. A.)Aerojet-General Corporation,
Azusa, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. K. BoehmertRepresentative: Dr.-Ing. K. Boehmert

und Dipl.-Ing. A. Boehmert, Patentanwälte,and Dipl.-Ing. A. Boehmert, patent attorneys,

Bremen 1, Feldstr. 24Bremen 1, Feldstr. 24

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 21. Oktober 1960 (Nr. 64 220)Claimed priority:
V. St. v. America October 21, 1960 (No. 64 220)

Albert Emerson Lemke, Glendora, Calif. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt wordenAlbert Emerson Lemke, Glendora, Calif. (V. St. Α.), Has been named as the inventor

Es wurde nun gefunden, daß sowohl die Druckstabilität während des Verbrennungsvorganges als auch die Verbrennungsgeschwindigkeit derartiger Brennstoffe wesentlich erhöht und verbessert werden kann, indem man in die festen Brennstoffgemische feinverteiltes Eisen einarbeitet. Schon in sehr kleinen Mengen von etwa 1 Gewichtsprozent erhöht ein solcher Eisenzusatz die lineare Verbrennungsgeschwindigkeit des Brennstoffes beträchtlich und verbessert dessen Druckstabilität während der Verbrennung.It has now been found that both the pressure stability during the combustion process as the rate of combustion of such fuels can also be significantly increased and improved by incorporating finely divided iron into the solid fuel mixture. Even in very small ones In amounts of about 1 percent by weight, such iron addition increases the linear rate of combustion of the fuel and improves its pressure stability during combustion.

Der Eisenzusatz wird dem wärmeerzeugenden Gemisch einfach durch mechanisches Vermischen mit den übrigen Komponenten einverleibt, welche alle in feinzerteilter Form vorliegen, wobei als Endprodukt ein inniges und gleichmäßiges Gemisch erhalten wird. Optimale Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn das Eisen in Mengen zwischen etwa 1 und 30 Gewichtsprozent, bezogen auf den Gesamtbrennstoff, angewendet wird und wenn das leicht oxydierbare Metall und die oxydierenden anorganischen Salze in etwa stöchiometrischen Mengen vorliegen.The iron addition is added to the heat-generating mixture simply by mechanically mixing it with it incorporated into the remaining components, all of which are in finely divided form, with the end product an intimate and uniform mixture is obtained. Optimal results can be achieved if the iron in amounts between about 1 and 30 percent by weight, based on the total fuel, is applied and when the easily oxidizable metal and the oxidizing inorganic salts in approximately stoichiometric amounts are present.

Die in den wärmeerzeugenden Brennstoffgemischen üblicherweise verwendeten, leicht oxydierbaren Metalle entwickeln während der Oxydation große Wärmemengen, sie haben ein hohes positives Elektrodenpotential und sind unter üblichen Bedingungen in Anwesenheit von Luft stabil. Metalle, wie Beryllium, Aluminium und Magnesium, die ein Elektrodenpotential bei 25° C von über +1,6 V aufweisen und welche bei der Umsetzung mit Perchloraten wenigstens eine Wärmemenge von 2,4 Kcal/g frei-The easily oxidizable metals commonly used in the heat-generating fuel mixtures develop large amounts of heat during oxidation, they have a high positive electrode potential and are stable under normal conditions in the presence of air. Metals such as beryllium, Aluminum and magnesium, which have an electrode potential of over +1.6 V at 25 ° C and which, when reacted with perchlorates, release at least 2.4 Kcal / g of heat

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setzen, kommen bevorzugt zur Anwendung. Als oxydierendes Salz wird im allgemeinen ein von einem Metall abgeleitetes Chlorat, Perchlorat, Chromat oder Bichromat verwendet. Infolge der bequemen Handhabung und des geringen Gewichtes werden Alkali- und Erdalkalisalze bevorzugt. Perchlorate eignen sich infolge ihres geringen Gewichtes, ihrer Stabilität und des hohen Sauerstoffgehaltes ganz besonders für diesen Zweck.are preferred. As the oxidizing salt, one of one is generally used Metal derived chlorate, perchlorate, chromate or bichromate is used. As a result of the ease of use and low weight, alkali and alkaline earth salts are preferred. Perchlorates are suitable especially for due to their low weight, their stability and the high oxygen content this purpose.

der Erfindung größer war als diejenige des Kontrollgemisches und daß sie im Bereich niedriger Temperaturen sogar wesentlich höher lag. Beispielsweise war die Verbrennungsgeschwindigkeit des neuen Ge-5 misches bei einem Druck in der Verbrennungskammer von 7 kg/cm² beinahe 4mal so groß als diejenige des Kontrollgemisches. Für den Fachmann läßt sich jedoch aus den Kurven der Zeichnung eine Tatsache von mindestens gleicher Bedeutung ablesen, daßof the invention was greater than that of the control mixture and that it was even significantly higher in the lower temperature range. For example, the combustion rate of the new mixture was almost 4 times that of the control mixture at a pressure in the combustion chamber of 7 kg / cm ^2. For a person skilled in the art, however, a fact of at least equal importance can be read from the curves in the drawing that

Die festen Brennstoffgemische, welchen Eisen io nämlich das Kontrollgemisch bei einem Druck in der zwecks Erzielung der erfindungsgemäßen Verbesse- Verbrenungskammer von mehr als 7 kg/cm² instabil rangen zugesetzt wird, lassen sich durch einfaches war, während das eisenhaltige Gemisch bei allen Vermischen des feinzerteilten Metalls und eines fein- Prüfdrücken vollständig stabil war. Unter dem Bezerteilten anorganischen oxydierenden Salzes unter griff »Stabilität« wird hier wie auch sonst in der Bildung eines innigen und gleichmäßigen Gemisches 15 Technik der Antriebsstoffe die Eigenschaft des Brennherstellen. Diese Mischung wird anschließend unter stoffes verstanden, ohne größere Druckschwankungen hohem Druck zu festen Körnern komprimiert. In der zu verbrennen.The solid fuel mixtures, to which iron is added namely the control mixture at a pressure in the ^{unstable struggle to achieve the improvement combustion chamber according to the invention of more than 7 kg / cm 2} , can be easily obtained, while the iron-containing mixture is used for all mixing of the finely divided Metal and a fine test pressure was completely stable. Here, as elsewhere in the formation of an intimate and uniform mixture of fuels, the property of producing fuel is defined under the divided inorganic oxidizing salt under the term "stability". This mixture is then understood as substance, compressed to solid grains without major pressure fluctuations under high pressure. In the burn.

nachstehenden Tabelle I sind bevorzugte Rezepte für Die in der Zeichnung dargestellten Kurven ent-Table I below are preferred recipes for The curves shown in the drawing

solche Brennstoffgemische zusammengestellt, welche sprechen für die geprüften Gemischzusammenset-such fuel mixtures are compiled, which speak for the tested mixture composition

sich insbesondere für die Verwendung in Unter- 20 zungen der empirischen Gleichung r = Cpⁿ. In dieseris particularly suitable for use in submissions of the empirical equation r = Cp ⁿ . In this

wasserantrieben eignen.suitable for water drives.

Table I.

Brenn
stoffBrenn
material KomponentenComponents GewichtsprozentWeight percent A
B
C
^D !
^E {
* ί
^H !
¹ { A.
B.
C.
^D !
^E {
* ί
^H !
¹ { Aluminium
Kaliumperchlorat
Aluminium
Lithiumperchlorat
Aluminium
Natriumperchlorat
Beryllium
Kaliumperchlorat
Beryllium
Lithiumperchlorat
Beryllium
Natriumperchlorat
Magnesium
Kaliumperchlorat
Magnesium
Lithiumperchlorat
Magnesium
Natriumperchlorat aluminum
Potassium perchlorate
aluminum
Lithium perchlorate
aluminum
Sodium perchlorate
beryllium
Potassium perchlorate
beryllium
Lithium perchlorate
beryllium
Sodium perchlorate
magnesium
Potassium perchlorate
magnesium
Lithium perchlorate
magnesium
Sodium perchlorate 34,1
65,9
40,4
59,6
37,0
63,0
20,6
79,4
25,3
74,7
22,7
77,3
41,2
58,8
47,7
52,3
44,2
55,834.1
65.9
40.4
59.6
37.0
63.0
20.6
79.4
25.3
74.7
22.7
77.3
41.2
58.8
47.7
52.3
44.2
55.8

Gleichung bedeutet r die Verbrennungsgeschwindigkeit, ρ ist der absolute Druck in kg/cm², und C und η sind Konstanten. Die Verbrennungsgeschwindigkeit r wird üblicherweise in der Einheit cm/sec ausgewertet und angegeben. Ob ein Brennstoff im wesentlichen stabil ist oder nicht, läßt sich aus dem Wert für den sogenannten Stabilitätsfaktor ersehen, welcher numerisch dem Wert für den Exponenten η in der vorstehenden Gleichung für die Verbrennungsgeschwindigkeit entspricht. Wenn beispielsweise« einen Wert von 1,0 oder größer aufweist, ist der betreffende Brennstoff instabil. Brennstoffe mit Werten für η zwischen 0 und 0,50 zeigen dagegen eine ausgezeichnete Stabilität. Brennstoffe mit Werten für« im mittleren Bereich von 0,50 bis 1,0 können als gut angesprochen werden, wenn die η-Werte zwischen 0,50 und 0,70 liegen, und die Brennstoffe sind gerade noch brauchbar, wenn der Wert für η im Bereich von 0,70 bis 0,85 liegt.Equation r means the burning rate, ρ is the absolute pressure in kg / cm ² , and C and η are constants. The burning rate r is usually evaluated and specified in the unit cm / sec. Whether or not a fuel is substantially stable can be seen from the value for the so-called stability factor, which numerically corresponds to the value for the exponent η in the above equation for the combustion rate. For example, if is 1.0 or greater, the fuel in question is unstable. Fuels with values for η between 0 and 0.50, on the other hand, show excellent stability. Fuels with values for «in the middle range from 0.50 to 1.0 can be considered good if the η values are between 0.50 and 0.70, and the fuels are just usable if the value for η ranges from 0.70 to 0.85.

Für Vergleichszwecke sind die den Kurven in der Zeichnung entsprechenden Werte für η in der nachstehenden Tabelle II zusammengestellt: For comparison purposes, the values for η corresponding to the curves in the drawing are compiled in Table II below:

Table II

Um die Wirkung eines Eisenzusatzes zu den in Tabelle I angeführten Grundgemischen zu erläutern, sind in der Zeichnung jeweils die Verbrennungsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit vom Druck in der Verbrennungskammer für ein Brennstoffkontrollgemisch und für ein erfindungsgemäßes Brennstoffgemisch mit Eisenzusatz in Form von Kurven graphisch dargestellt. Das Brennstoffkontrollgemisch bestand aus stöchiometrisch äquivalenten Mengen von feinzerteiltem Aluminium und Kaliumperchlorat. Die erfindungsgemäße eisenhaltige Zusammensetzung 6c unterschied sich von dem Kontrollgemisch nur dadurch, daß sie 8,6 Gewichtsprozent, bezogen auf den Gesamttreibstoff, an feinzerteiltem Eisen in gleichmäßiger Verteilung enthielt.To explain the effect of adding iron to the basic mixtures listed in Table I, are in each case the combustion rates in the drawing as a function of the pressure in the Combustion chamber for a fuel control mixture and for a fuel mixture according to the invention graphically represented with added iron in the form of curves. The fuel control mix passed from stoichiometrically equivalent amounts of finely divided aluminum and potassium perchlorate. the Iron-containing composition 6c according to the invention differed from the control mixture only in that that they are 8.6 percent by weight, based on the total fuel, of finely divided iron in a more uniform Distribution included.

Aus einem Vergleich der Kurven in der Zeichnung wird klar ersichtlich, daß praktisch im gesamten überprüften Druckbereich die Verbrennungsgeschwindigkeit des eisenhaltigen Gemisches gemäß in der VerbrennungskammerFrom a comparison of the curves in the drawing it can be clearly seen that practically throughout checked pressure range according to the combustion rate of the ferrous mixture in the combustion chamber

Kein Zusatz
Eisen No addition
iron

1,05 bis 7,0 (15 bis 100) 7,0 bis 70 j (100 bis 1000)1.05 to 7.0 (15 to 100) 7.0 to 70 j (100 to 1000)

1,05 bis 21
21 bis 701.05 to 21
21 to 70

(15 bis 300) (300 bis 1000)(15 to 300) (300 to 1000)

0,27 1,080.27 1.08

0,199 0,7070.199 0.707

Aus den Kurven der Zeichnung und den Daten von Tabelle II kann leicht abgeleitet werden, daß die erfindungsgemäßen eisenhaltigen Brennstoffe im gesamten untersuchten Druckbereich entweder eine ausgezeichnete oder wenigstens je nach dem Druck in der Verbrennungskammer eine brauchbare Stabilität aufweisen, während der Brennstoff ohne Eisenzusatz nur bei Drücken unterhalb 7 kg/cm² ausreichend stabil ist.From the curves of the drawing and the data in Table II it can easily be deduced that the ferrous fuels according to the invention have either excellent stability or at least useful, depending on the pressure in the combustion chamber, over the entire pressure range investigated, while the fuel without iron addition only at pressures is sufficiently stable below 7 kg / cm ^2.

Als wesentlicher Vorteil bei der Anwendung von Eisen als Zusatzstoff in den erfindungsgemäßen Brennstoffgemischen muß die Tatsache betrachtetAs a major advantage when using iron as an additive in the inventive Fuel blending must consider the fact

werden, daß wesentlich höhere Verbrennungsgeschwindigkeiten erzielt werden, so daß eine größere Menge des Gemisches in einer vorgegebenen Zeitspanne verbrennt, womit gleichzeitig eine Erhöhung der Antriebskraft verbunden ist. Außerdem bedeutet die Verwendung von Eisen eine wesentliche Verbesserung in der Druckstabilität, so daß sich der Bereich der Betriebsbedingungen erweitert.be that much higher combustion rates are achieved, so that a greater Amount of the mixture burns in a given period of time, thereby increasing at the same time the driving force is connected. In addition, the use of iron is an essential one Improvement in pressure stability, so that the range of operating conditions is expanded.

Die erfindungsgemäßen exotherm reagierenden Gemische können außer in den Antriebsaggregaten von Unterwassergeschossen auch noch für viele andere Anwendungszwecke mit Nutzen eingesetzt werden. Beispielsweise können sie als pyrotechnischer Satz für Feuerwerkssätze oder andere Anwendungen eingesetzt werden. Darüber hinaus sind sie infolge der großen Energiemengen, welche bei der Verbrennung entstehen, auch als Zündsätze in den Zündvorrichtungen für Raketenmotoren von Nutzen. Da der Brennstoff beim Verbrennen eine außerordentlich hohe Flammentemperatur erzeugt, wird ausreichend Wärme freigesetzt, um die gesamten Verbrennungsprodukte zu vergasen und damit die erforderlichen Zünddrucke zu erzeugen. Aus diesem Grund eignen sich die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen insbesondere als pyrotechnische Sätze für solche Zündstarter, die keine Düsenverschlußglieder aufweisen. Der Fachmann wird ohne weiteres einsehen, daß die neuen Brennstoffgemische infolge ihrer relativ hohen Verbrennungsgeschwindigkeit und ihrer Stabilität hinsichtlich der Brauchbarkeit als Zünder große Vorteile bieten.The exothermic reacting mixtures according to the invention can except in the drive units of Underwater projectiles can also be used for many other purposes with benefit. For example, they can be used as a pyrotechnic set for fireworks sets or other applications will. In addition, they are due to the large amounts of energy used in combustion are also useful as primers in rocket engine igniters. Since the Fuel produces an extraordinarily high flame temperature when burned, will be sufficient Heat is released to gasify all of the combustion products and thus the required Generate ignition pressures. For this reason, the compositions according to the invention are particularly suitable as pyrotechnic sets for those ignition starters that do not have nozzle closure members. Those skilled in the art will readily appreciate that the new fuel mixtures due to their relatively high Burn rate and its stability in terms of usability as an igniter are great advantages Offer.

Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß durch das Einarbeiten von feinzerteiltem Eisen in Brennstoffe, welche feinzerteilte Metalle, wie Beryllium, Magnesium oder Aluminium, und anorganische oxydierende Salze enthalten, Brennstoffgemische erhalten werden, welche bei der Anwendung für den Unterwasserantrieb eine größere Antriebsenergie erzeugen. Außerdem können diese Brennstoffe in einem großen Druckbereich zur Anwendung kommen, wodurch sich ihre Brauchbarkeit sowohl für den Unterwasserantrieb als auch für Brenn- und Schneidarbeitsvorgänge in Ölquellen wesentlich erhöht. Im Rahmen der Erfindung kann der Eisenzusatz auch in Kombination mit weiteren Zusatzstoffen, wie z. B. Blei, in den Brennstoffgemischen zur Anwendung kommen. Ferner können sowohl Mischungen der oxydierbaren Metalle, wie Beryllium, Aluminium und Magnesium, als auch Mischungen der oxydierenden Salze in den neuen Brennstoffen oder pyrotechnischen Zusammensetzungen eingesetzt werden.From the above explanations it can be seen that the incorporation of finely divided iron in fuels, which are finely divided metals such as beryllium, magnesium or aluminum, and inorganic ones Containing oxidizing salts, fuel mixtures are obtained, which in the application generate a greater propulsion energy for underwater propulsion. In addition, these Fuels are used in a wide pressure range, which increases their usefulness both for underwater propulsion and for burning and cutting operations in oil wells significantly increased. In the context of the invention, the addition of iron can also be used in combination with other Additives such as B. lead, are used in the fuel mixtures. Furthermore can mixtures of oxidizable metals such as beryllium, aluminum and magnesium, as well Mixtures of the oxidizing salts in the new fuels or pyrotechnic compositions can be used.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Exothermic reacting mixture with increased burn rate, especially for generating steam for underwater propulsion or for use in pyrotechnic charges based on metallic fuels and inorganic, oxidizing metal compounds in approximately stoichiometric amounts, characterized in that it is also finely divided in addition to the metallic fuel component Contains iron powder.

2. Mixture according to claim 1, characterized in that it is beryllium as the oxidizable metal, Aluminum and / or magnesium and as an inorganic oxidizing compound one of one Contains metal-derived chlorate, perchlorate, chromate and / or dichromate.

3. Mixture according to claim 1 and 2, characterized in that it is the finely divided iron in in an amount between 1 and 30 percent by weight, based on the total fuel.

1 sheet of drawings

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