EP2662350B1 - Gasgenerator-Treibstoff - Google Patents

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EP2662350B1
EP2662350B1 EP13164672.1A EP13164672A EP2662350B1 EP 2662350 B1 EP2662350 B1 EP 2662350B1 EP 13164672 A EP13164672 A EP 13164672A EP 2662350 B1 EP2662350 B1 EP 2662350B1
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EP
European Patent Office
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fuel
propellant
additive
combustion
gas
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EP13164672.1A
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English (en)
French (fr)
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EP2662350A3 (de
EP2662350A2 (de
Inventor
Karl-Wieland Naumann
Konrad Schmid
Jürgen Ramsel
Ralf Stierle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
Original Assignee
Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B25/00—Compositions containing a nitrated organic compound
    • C06B25/36—Compositions containing a nitrated organic compound the compound being a nitroparaffin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B47/00—Compositions in which the components are separately stored until the moment of burning or explosion, e.g. "Sprengel"-type explosives; Suspensions of solid component in a normally non-explosive liquid phase, including a thickened aqueous phase

Definitions

  • the invention relates to a fuel for a gas generator according to the preamble of claim 1.
  • monergoler fuel e.g. Nitromethane used, which is used as a rocket fuel. Since rocket fuels are aimed at generating as high a specific impulse as possible, rocket fuels burn at the highest possible temperature. In the hot combustion gases are significant proportions of water and carbon dioxide in the gas phase, so that they provide a significant contribution to the thrust generation. As a further favorable property, water has a low molecular weight and more internal degrees of freedom than diatomic gases such as oxygen or nitrogen.
  • the U.S. Patent 3,765,966 describes a process for preparing a gel explosive composition of nitromethane, inorganic nitrate, water or a methanol-containing liquid medium; It is an object of this method to improve the production of sludge which are gelatinous and have nitromethane-inorganic nitrate structures and are water-based.
  • the European patent application EP 1 321 505 describes a fuel which is gelatinous, containing nitromethane, hydrophobized silica and fine particulate ammonium dinitramide; This material composition is preferably used as a rocket fuel because of the high combustion temperature.
  • the patent DE 699 04 326 T2 describes solid pyrotechnic compositions which, on combustion, produce gases which do not contain solid residues and which consist of at least one organic binder with gel-forming action and of at least one main oxidation system in liquid phase absorbed by the binder, the organic binder containing geltruckender effect among polyvinyl alcohol, hydroxyethyl cellulose and xanthan gum is selected and the main oxidation system in the liquid phase consists of a mixture of water and Hydroxylamoniumnitrat in certain composition.
  • gelatinous organic solutions are known in which, among others, cellulose nitrate, nitromethane, glycerol and other ingredients are used.
  • rocket propellants when used in gas generators rocket propellants have the disadvantage that the very high combustion temperature mechanical structures overly thermally stressed or no durable resistant construction, eg. B. of working machines, permits.
  • the gas is to be used as a working gas, for example, for pressurizing containers, those under high pressure are relatively high Boiling temperatures of water and carbon dioxide disadvantageous because these two substances can condense on cooling and then do not contribute to the gas yield.
  • the object of the invention is therefore to provide a fuel for a gas generator available, which leads at reduced combustion temperature to a high gas yield even at ambient temperature.
  • the high combustion temperature of the gelatinous, monergolic propellant is reduced by adding to the gelatinous fuel an additive which oxidizes to carbon monoxide (CO) during the combustion of the carbon of the fuel and to water for the oxidation of hydrogen (H 2 ) (H 2 O) and from carbon monoxide to carbon dioxide (CO 2 ) no oxygen is provided.
  • CO carbon monoxide
  • the additive is inventively further explained with the features in claim 1.
  • the combustion of the fuel is influenced by the additive in such a way that carbon monoxide and hydrogen are formed instead of carbon dioxide and water.
  • the monergolen fuel at least a portion of the carbon and hydrogen, which would be burned without the additive to carbon dioxide and water, only incompletely burned to carbon monoxide and converted to hydrogen.
  • the additive so an oxygen deficiency is caused by the z.
  • a hydrocarbon or hydrocarbon radical is converted only to carbon monoxide and hydrogen during combustion and not completely burned to carbon dioxide and water.
  • the invention arises from the combustion gas of monergolen fuel, a gas mixture in which on the one hand, the temperature due to the incomplete combustion of the fuel, the caused by the additive, is significantly reduced and on the other hand contains a high proportion of carbon monoxide (CO), hydrogen (H2) and nitrogen (N2), ie gases that approximate in their properties of an ideal gas and thus over a very wide temperature - And pressure ranges do not condense, while the proportion of water (H2O) and carbon dioxide (CO2), which differ substantially in their properties of ideal gases and thus condense under high pressure at much lower temperatures, is low.
  • CO carbon monoxide
  • H2O hydrogen
  • N2 nitrogen
  • a fuel which contains at least one, liquid at ambient temperature, at least one nitro group-containing hydrocarbon, for example nitromethane or nitroethane.
  • the gelling agent may be, for example, pyrogenic silica or a LMOG (low molecular mass organic gelator) or be formed by carbon nanotubes.
  • the gel-like fuel may further contain metal particles, preferably aluminum or magnesium, for increasing energy, and also particles of energetic materials.
  • the proportion of the additive is 5 to 30% by weight of the fuel for the gas generator.
  • the additive is a at ambient temperature, ie operating temperature of the gas generator, d. H. z. B. at 0 degrees to 40 degrees Celsius liquid substance.
  • the additive according to claim 1 is a heptane, octane, isooctane or cyclohexane.
  • the additive is added to the gel fuel and mixed with it.
  • the additive in an alternative, not part of the invention Au amountsform, but also in whole or in part in a post-combustion zone or chamber with the initially hot combustion gas are brought into contact, which is formed by combustion of stored in a separate container gelatinous fuel.
  • the hot combustion gas then reacts in the post-combustion zone or chamber to which the additive is supplied, which in turn produces gas of reduced temperature.
  • the carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) formed in the combustion of the monergolen fuel in the combustion gas are at least partially reacted endothermic to carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) in the post-combustion zone or chamber, ie reduced.
  • the promotion of the fuel can be done for example by oppression with gas or with a mechanically driven piston in the reservoir of the fuel.
  • the combustion of the fuel can be done by means of injectors in a combustion chamber.
  • the gel fuel may contain other liquid and solid additives in addition to the additive.
  • solid additives including the additive that converts carbon dioxide and water produced by combustion of the monergent fuel endothermically to carbon monoxide and hydrogen, is that it does not have to be miscible with the monergous fuel or gel fuel.
  • the combustion gases do not oxidize the structures of the work machines, tanks and pipelines, which improves their life and resilience.
  • the fuel according to the invention is achieved by reducing the combustion temperature, a significantly improved stability of acted upon by the combustion gas work machines, containers and pipelines. In addition, the yield of over wide temperature and pressure ranges is improved as ideal gases behaving reaction products.
  • the fuel density can be increased by adding a particulate additive. It is possible to use also with the monergolene fuel immiscible materials, if they are introduced in solid particulate form.
  • the fuel according to the invention can be used for any gas generators, for example, a gas generator for operating an engine, such as turbine; for inflating an airbag, of life rafts; emergency shelters or land systems; an erection for driving opening and lifting devices, or emergency seals or thrust generation in transverse jet control devices of aerospace equipment.
  • a fuel made from nitromethane with carbon nanotubes as gelling agent and 10 weight percent heptane was prepared. According to the calculation with the ECT Thermodynamic Code of the Fraunhofer Institute for Chemical Technology ICT, the burning temperature drops from 2197 to 1450 K at a constant pressure of 100 bar, whereby the amounts of carbon dioxide (CO2) and water ( H2O) can be reduced by approx. 50% with approx. 50% increase in the proportion of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2) at a constant nitrogen content.
  • CO2 carbon dioxide
  • H2O water

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Liquid Carbonaceous Fuels (AREA)
  • Air Bags (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Treibstoff für einen Gasgenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein derartiger Treibstoff für den Gasgenerator einer Kraftmaschine ist aus DE102008025217A1 bekannt.
  • Bei dem bekannten Gasgenerator wird als monergoler Treibstoff z.B. Nitromethan verwendet, das als Raketen-Treibstoff eingesetzt wird. Da Raketentreibstoffe auf die Erzeugung eines möglichst hohen spezifischen Impulses abzielen, verbrennen Raketen-Treibstoffe bei einer möglichst hohen Temperatur. In den heißen Verbrennungsgasen liegen erhebliche Anteile von Wasser und Kohlendioxid in der Gasphase vor, so dass diese einen wesentlichen Beitrag zur Schuberzeugung liefern. Wasser hat hierbei als weitere günstige Eigenschaft eine geringe Molmasse und mehr innere Freiheitsgrade als zweiatomige Gase wie Sauerstoff oder Stickstoff.
  • Aus der Europäischen Patentanmeldung EP 2 136 064 A2 ist ein Gasgenerator mit einer Brennkammer bekannt, der ein fließfähiger, anzündträger, insbesondere Treibstoff zugeführt wird; damit der anzündträge Treibstoff verbrennt, muss in der Brennkammer ein Mindestdruck aufrechterhalten werden wozu eine Einrichtung der Regelung des Querschnitts der Auslassöffnung vorgesehen ist. Dem gelförmigen Treibstoff werden flüssige monergole Treibstoffkomponenten zugesetzt, die bei Raumtemperatur flüssig sind.
  • Die US Patentschrift 3,765,966 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer gelförmigen explosiven Komposition aus Nitromethan, anorganischem Nitrat, Wasser oder einem methanolhaltigem Flüssigmedium; es ist u.a. ein Ziel dieses Verfahrens eine Verbesserung der Herstellung von Schlämmen zu erreichen, die gelförmig sind und Nitromethan- anorganisch Nitrat-Strukturen aufweisen und wasserbasiert sind.
  • Die Europäische Patentanmeldung EP 1 321 505 beschreibt einen Treibstoff, der gelförmig ist, Nitromethan, hydrophobiertes Siliciumdioxyd und feinpartikuläres Amoniumdinitramid enthält; diese stoffliche Zusammensetzung ist wegen der hohen Verbrennungstemperatur bevorzugt als Raketentreibstoff einsetzbar.
  • Die Patentschrift DE 699 04 326 T2 beschreibt feste pyrotechnische Zusammensetzungen, die bei der Verbrennung Gase erzeugen, die keine festen Rückstände enthalten und die aus mindestens einem organischen Bindemittel bei gelbildender Wirkung und aus mindestens einem Hauptoxidationssystem in flüssiger Phase, das von dem Bindemittel absorbiert ist, bestehen, wobei das organische Bindemittel mit gelbildender Wirkung unter Polyvinylalkohol, Hydroxiethylzellulose und Xanthangummi ausgewählt ist und das Hauptoxidationssystem in flüssiger Phase aus einem Gemisch von Wasser und Hydroxylamoniumnitrat in bestimmter Zusammensetzung besteht.
  • Aus der US 3, 334, 053 sind gelförmige organische Lösungen bekannt, in welchen u.a. Zellulosenitrat, Nitromethan, Glycerol und andere Bestandteile verwendet werden.
  • Die US Patentschrift US 3,107,187 bezieht sich auf heterogene Mono-Treibmittel zur Erzeugung von Gasen, wobei ein Hauptaugenmerk auf der Auswahl der Oxidationsmittel gerichtet ist.
  • Bei einem Einsatz in Gasgeneratoren haben Raketen-Treibstoffe jedoch den Nachteil, dass die sehr hohe Verbrennungstemperatur mechanische Strukturen übermäßig thermisch belastet oder überhaupt keine dauerhaft widerstandsfähige Bauweise, z. B. von Arbeitsmaschinen, zulässt. Falls das Gas als Arbeitsgas beispielsweise zum Bedrücken von Behältern verwendet werden soll, sind darüber hinaus die unter hohem Druck relativ hohen Siedetemperaturen von Wasser und Kohlendioxid nachteilig, weil diese beiden Stoffe bei Abkühlung kondensieren können und dann zur Gasausbeute nicht beitragen.
    Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Treibstoff für einen Gasgenerator zur Verfügung zu stellen, welcher bei herabgesetzter Verbrennungstemperatur zu einer hohen Gasausbeute auch bei Umgebungstemperatur führt.
  • Dies wird erfindungsgemäß mit dem Treibstoff nach dem Anspruch 1 erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.
  • Erfindungsgemäß wird die hohe Verbrennungstemperatur des gelförmigen, monergolen Treibstoffs dadurch herabgesetzt, dass dem gelförmigen Treibstoff ein Zusatzstoff zugesetzt wird, durch den bei der Verbrennung der Kohlenstoffs des Treibstoffs zu Kohlenmonoxid (CO) oxidiert wird und für die Oxidation von Wasserstoff (H2) zu Wasser (H2O) sowie von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid (CO2) kein Sauerstoff zur Verfügung gestellt wird. Der Zusatzstoff ist erfindungsgemäß weiter mit den Merkmalen in Anspruch 1 erläutert.
  • D.h. erfindungsgemäß wird durch den Zusatzstoff die Verbrennung des Treibstoffs dahingehend beeinflusst, dass Kohlenmonoxid und Wasserstoff entstehen anstelle von Kohlendioxid und Wasser. Damit wird erfindungsgemäß von dem monergolen Treibstoff zumindest ein Teil des Kohlenstoffs und des Wasserstoffs, der ohne den Zusatzstoff zu Kohlendioxid und Wasser verbrannt wäre, nur unvollständig zu Kohlenmonoxid verbrannt und zu Wasserstoff umgesetzt. Durch den Zusatzstoff wird also ein Sauerstoffmangel hervorgerufen, durch den z. B. ein Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffrest nur zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei der Verbrennung umgesetzt wird und nicht vollständig zu Kohlendioxid und Wasser verbrennt.
  • Erfindungsgemäß entsteht aus dem Verbrennungsgas des monergolen Treibstoffs ein Gasgemisch, bei dem einerseits die Temperatur durch die unvollständige Verbrennung des Treibstoffs, die durch den Zusatzstoff hervorgerufen wird, wesentlich herabgesetzt ist und das zum anderen einen hohen Anteil an Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2) enthält, also Gase, die in ihren Eigenschaften einem idealen Gas nahekommen und damit über sehr weite Temperatur- und Druckbereiche nicht kondensieren, während der Anteil an Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2), welche sich in ihren Eigenschaften von idealen Gasen wesentlich unterscheiden und damit unter hohem Druck bei deutlich niedrigeren Temperaturen kondensieren, gering ist.
  • Als monergoler Treibstoff wird vorzugsweise ein Treibstoff verwendet, der wenigstens einen, bei Umgebungstemperatur flüssigen, wenigstens eine Nitrogruppe enthaltenden Kohlenwasserstoff enthält, beispielsweise Nitromethan oder Nitroethan. Der Gelbildner kann beispielsweise pyrogene Kieselsäure oder ein LMOG (low molecular mass organic gelator) sein oder durch Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet sein. Der gelförmige Treibstoff kann ferner Metallpartikel, vorzugsweise Aluminium oder Magnesium, zur Energieerhöhung enthalten, ferner Partikel aus energetischen Materialien.
  • Der Anteil des Zusatzstoffs beträgt 5 - 30 Gewichtsprozent des Treibstoffs für den Gasgenerator.
  • Der Zusatzstoff ist ein bei Umgebungstemperatur, also Betriebstemperatur des Gasgenerators, d. h. z. B. bei 0 Grad bis 40 Grad Celsius flüssiger Stoff.
  • Der Zusatzstoff ist nach Anspruch 1 ein Heptan, Octan, Isooctan oder Cyclohexan.
  • Der Zusatzstoff wird dem gelförmigen Treibstoff beigefügt und mit ihm vermischt. Zur Verbesserung der Verbrennungsreaktion kann der Zusatzstoff in einer alternativen, nicht zur Erfindung gehörenden Auführungsform, aber auch insgesamt oder teilweise in einer Nachverbrennungszone oder -kammer mit dem zunächst heißen Verbrennungsgas in Kontakt gebracht werden, welches durch Verbrennung des in einem gesonderten Behälter aufbewahrten gelförmigen Treibstoffs gebildet wird. Das heiße Verbrennungsgas reagiert dann derart in der Nachverbrennungszone oder -kammer, der der Zusatzstoff zugeführt wird, dass wiederum Gas mit erniedrigter Temperatur entsteht.
  • D.h. das bei der Verbrennung des monergolen Treibstoffs gebildete Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) im Verbrennungsgas werden in der Nachverbrennungszone oder -kammer zumindest teilweise endotherm zu Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) umgesetzt, also reduziert.
  • Dabei sind mehrere Verfahren möglich, nämlich: Ein-, Zwei- oder Mehrfachtreibstoffsysteme, die vollständige oder teilweise Einmischung des Zusatzstoffs in den Treibstoff, die Treibstoffe oder Oxidatoren, die in der ersten Verbrennungszone verbrennen, oder die vollständige oder teilweise Zugabe des Zusatzstoffs in reiner oder gemischter Form in einen Bereich nach der ersten Verbrennungszone, wo eine Nachreaktion stattfindet.
  • Die Förderung des Treibstoffs kann beispielsweise durch Bedrückung mit Gas oder mit einem mechanisch angetriebenen Kolben in dem Vorratsbehälter des Treibstoffs erfolgen. Die Verbrennung des Treibstoffs kann mittels Injektoren in einer Brennkammer erfolgen.
  • Der gelförmige Treibstoff kann außer dem Zusatzstoff noch weitere flüssige und feste Zusätze enthalten. Der Vorteil fester Zusätze, einschließlich des Zusatzstoffs, der bei der Verbrennung des monergolen Treibstoffs entstehendes Kohlendioxid und Wasser endotherm zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umsetzt, besteht darin, dass er nicht mit dem monergolen Treibstoff oder gelförmigen Treibstoff mischbar sein muss.
  • Durch die deutliche Sauerstoffunterbilanzierung des erfindungsgemäßen Treibstoffs wirken die Verbrennungsgase nicht oxidierend auf die Strukturen der Arbeitsmaschinen, Tanks und Rohrleitungen, was deren Lebensdauer und Belastbarkeit verbessert.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Treibstoff wird durch die Verringerung der Verbrennungstemperatur eine wesentlich verbesserte Standfestigkeit der vom Verbrennungsgas beaufschlagten Arbeitsmaschinen, Behälter und Rohrleitungen erreicht. Zudem wird die Ausbeute an über weite Temperatur- und Druckbereiche sich als ideale Gase verhaltenden Reaktionsprodukten verbessert. Die Treibstoffdichte kann durch Zugabe eines teilchen- förmigen Zusatzstoffes erhöht werden. Es besteht die Möglichkeit, auch mit dem monergolen Treibstoff nicht mischbare Stoffe zu verwenden, falls diese in fester Teilchenform eingebracht werden. Der erfindungsgemäße Treibstoff kann für beliebige Gasgeneratoren verwendet werden, beispielsweise einen Gasgenerator zum Betrieb einer Kraftmaschine, beispielsweise Turbine; zum Aufblasen eines Airbags, von Rettungsflößen; von Notunterkünften oder Landesystemen; einer Errichtung zum Antrieb von Öffnungs- und Hebevorrichtungen, oder Notabdichtungen oder zur Schuberzeugung bei Querstrahl-Steuereinrichtungen von Luft- und Raumfahrtgeräten sein.
    • Beispiel:
  • Es wurde ein Treibstoff aus Nitromethan mit Kohlenstoff-Nanoröhren als Gelbildner und 10 Gewichtsprozent Heptan hergestellt. Entsprechend der Berechnung mit dem ECT-Thermodynamik- Code des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT erniedrigt sich bei einem konstanten Druck von 100 bar die Ab- brand-Temperatur von 2197 auf 1450 K, wobei die Anteile an Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) um ca. 50 % bei ca. 50 % Erhöhung des Anteils von Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) bei konstantem Stickstoff-Anteil reduziert werden.

Claims (4)

  1. Treibstoff für Gasgeneratoren aus einem einen monergolen Treibstoff und einen Gelbildner enthaltenden gelförmigen Treibstoff, dadurch gekennzeichnet, dass dem gelförmigen Treibstoff wenigstens ein Zusatzstoff in einem Anteil von 5-30 Gew.-% des Treibstoffs für den Gasgenerator zugesetzt wird, der Heptan, Octan, Isooctan oder Cyclohexan ist, und der Zusatzstoff so ausgestaltet ist, dass durch ihn bei der Verbrennung das vollständige Entstehen von Kohlendioxid und Wasser vermieden, der Kohlenstoff des Treibstoffs zu Kohlenmonoxid (CO) oxidiert wird und für die Oxidation von Wasserstoff (H2) zu Wasser (H2O) sowie von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid (CO2) kein Sauerstoff zur Verfügung gestellt wird.
  2. Treibstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der monergole Treibstoff ein Treibstoff ist, der wenigstens einen wenigstens eine Nitro-Gruppe enthaltenden Kohlenwasserstoff enthält.
  3. Treibstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff bei Umgebungstemperatur flüssig ist.
  4. Treibstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff ein bei Umgebungstemperatur flüssiger Kohlenwasserstoff ist.
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