RU2317283C1

RU2317283C1 - Method of generation of the low-temperature gas

Info

Publication number: RU2317283C1
Application number: RU2006118277/15A
Authority: RU
Inventors: Владимир Юрьевич Мелешко; Валерий Александрович Карелин; Виктор Михайлович Атаманюк; Владимир Юрьевич Алякин
Original assignee: Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2008-02-20

Abstract

FIELD: public health; accidents medicine; methods of generation of the low-temperature gases used at saving of life of people in accidents and disaster situations.

SUBSTANCE: the invention may be used at saving of the lives of the people in the emergency situations, at the crash landings of the airplanes with the urgent evacuation of the passengers, when it is necessary quickly to fill in the inflatable structure with the gas. The method of generation of the low-temperature gas includes the following operations: charging the body of the gas generator with the liquid gas-generating substance in the form of the mixture of the liquefied diluting gas - carbon dioxide and the liquefied exothermically decomposing gas - nitrogen monoxide and the heating composition in the separate barrel, combustions of the heating up composition and heating by the combustion products of the liquefied gaseous mixture volume in the body of the gas generator for evaporation of the of the liquefied gases of the mixture, initiation of decomposing of the exothermically decomposing gas and feeding of the formed gaseous mixture under pressure to the consumer. At that the volumetric heating of the liquefied gaseous mixture in the body of the gas generator is conducted by the heat radiation from the burning gas-free heating up composition on the basis of molybdenum oxide MoO₃. In the capacity of heating up composition apply the metallothermic composition capable to the gas-free combustion and made in the form of the spherical or cubic granules, which after combustion and at thermal shocks save their dimensions and the shape and have no adhesion to each other. The granules of the metallothermic composition include the catalytically active metals in the oxide or metal form, which have been selected out of the group including Co, Cr, Fe, Cu. The thermal energy of the incandescent combustion products of the metallothermic composition is routed in the form of the heat radiation, the heat stock in the condensed heat-carrier medium and in the form of their combinations into the volume of the mixture of the liquefied gases and initiate decomposition of the exothermically decomposing gas from the mixture in the areas of the maximum heating. The invention allows to exclude the possibility of origination of the peak of the pressure in the high-pressure vessel.

EFFECT: the invention ensures the possibility to save the lives of the people in the emergency situations or the situations requiring the urgent evacuation of the people, allows, when it is necessary quickly to fill in the inflatable structure with the gas and to exclude the possibility of origination of the peak of the pressure in it.

2 ex, 2 tbl, 2 dwg

Description

Предложение относится преимущественно к разработке средств спасения людей в аварийных ситуациях на море, при аварийных посадках самолетов, при разборке завалов и других случаях, когда нужно быстро наполнить газом надувную конструкцию типа лодки, спасательного плотика, понтона, надувного трапа самолета или грузоподъемную подушку. Более конкретно, предложение относится к способам генерации низкотемпературного газа для наполнения таких объектов. Поскольку спасательные объекты изготовляются, как правило, из эластичных материалов типа наполненных полимеров, то газ для их наполнения должен иметь температуру не выше 100-250°С. Такие газы в предложении называются низкотемпературными.The proposal mainly relates to the development of means of rescuing people in emergency situations at sea, during emergency landing of aircraft, during dismantling of rubble and other cases when it is necessary to quickly fill with gas an inflatable structure such as a boat, life raft, pontoon, inflatable ramp of an airplane or a lifting pillow. More specifically, the proposal relates to methods for generating low temperature gas for filling such objects. Since rescue objects are made, as a rule, of elastic materials such as filled polymers, the gas for filling them must have a temperature of no higher than 100-250 ° C. Such gases in the proposal are called low temperature.

Самыми простыми источниками низкотемпературного газа, нашедшими достаточно широкое применение, являются баллончики со сжатым или сжиженным газом, преимущественно воздухом и двуокисью углерода в спасательных жилетах, надувных плотиках, лодках [1] и т.п. Способ хранения газов в баллонах имеет несомненные достоинства: простота в обращении, легкость регулировки, налаженная система снабжения. Недостатками являются низкие объемные и весовые показатели, низкая допустимая скорость подачи газа в наполняемый объект для исключения закупорки трубопровода замерзшим газом из-за охлаждения при расширении, необходимость в регулярных проверках возможных утечек, потенциальная опасность взрыва из-за механических повреждений. Применение баллонов из специальных композитных материалов, рассчитанных на давления до 40 МПа, позволяет повысить массовое содержание газа с 10 до 30%. Однако при этом резко возрастает опасность обращения с ними.The simplest sources of low-temperature gas, which are widely used, are cans with compressed or liquefied gas, mainly air and carbon dioxide, in life jackets, inflatable rafts, boats [1], etc. The method of storing gases in cylinders has undoubted advantages: ease of handling, ease of adjustment, an established supply system. The disadvantages are low volume and weight indicators, low permissible gas flow rate to the filled object to prevent clogging of the pipeline with frozen gas due to cooling during expansion, the need for regular inspections of possible leaks, potential explosion hazard due to mechanical damage. The use of cylinders made of special composite materials, designed for pressures up to 40 MPa, allows to increase the mass content of gas from 10 to 30%. However, the risk of handling them increases sharply.

Все многочисленные варианты источников низкотемпературного газа (ИНГ) с использованием продуктов сгорания специальных пиротехнических составов, разработанные в последние годы, можно грубо разделить на две больших группы: монозарядные (унитарные) и многозарядные или гибридные. Общими недостатками таких источников низкотемпературного газа являются сложность и большая масса конструкции, остатки конденсированных продуктов горения составов, применение фильтров для очистки или охлаждения газов. Из гибридных схем получили распространение устройства со сжиженными газами, например диоксидом углерода, подогреваемыми в баллоне хранения с помощью пиротехнического заряда [2]. Недостатками такого способа генерации являются возможность возникновения пика давления в баллоне при срабатывании пиротехнического заряда вследствие малого объема газовой подушки, возможность преждевременного прорыва мембраны на выходе из баллона вследствие пикового давления и проскока жидкого диоксида углерода в трубопровод наполнения, что может вызвать быстрое испарение, сопровождающееся охлаждением и замерзанием углекислоты в трубопроводе.All the numerous variants of sources of low-temperature gas (ING) using combustion products of special pyrotechnic compositions developed in recent years can be roughly divided into two large groups: mono-charged (unitary) and multiply charged or hybrid. The common disadvantages of such sources of low-temperature gas are the complexity and large mass of the structure, the remains of condensed products of combustion of the compositions, the use of filters for cleaning or cooling gases. From hybrid circuits, devices with liquefied gases, such as carbon dioxide, heated in a storage cylinder using a pyrotechnic charge, have spread [2]. The disadvantages of this generation method are the possibility of a peak pressure in the cylinder when the pyrotechnic charge is triggered due to the small volume of the gas cushion, the possibility of premature membrane breakthrough at the outlet of the cylinder due to peak pressure and leakage of liquid carbon dioxide into the filling pipe, which can cause rapid evaporation, accompanied by cooling and freezing of carbon dioxide in the pipeline.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является способ генерации наполнительного низкотемпературного газа из смеси сжиженных диоксида углерода и закиси азота, реализованный в устройстве развертывания пневмокаркасного аварийного трапа самолета [3]. В соответствии с этим способом по команде на наполнение воспламеняют пиротехнический источник горячего газа, подсоединенный через разрывную мембрану к одному из днищ сосуда высокого давления, заполненного смесью сжиженного диоксида углерода и закиси азота, и после прорыва мембраны направляют поток горячих газообразных продуктов сгорания в объем сосуда высокого давления. При смешении горячих газообразных продуктов сгорания с сжиженными газами происходят нагрев, испарение и экзотермическое разложение закиси азота с увеличением объема газов в 1,5 раза от количества содержащейся в сосуде высокого давления закиси азота. При повышении давления газов в сосуде высокого давления открывают регулирующий клапан на трубопроводе между сосудом высокого давления и наполняемым объектом и осуществляют наполнение.The closest in technical essence and adopted for the prototype is a method for generating filling low-temperature gas from a mixture of liquefied carbon dioxide and nitrous oxide, implemented in the deployment device of the pneumatic frame emergency ramp of the aircraft [3]. In accordance with this method, on a filling command, a pyrotechnic source of hot gas is ignited, connected through a bursting membrane to one of the bottoms of a pressure vessel filled with a mixture of liquefied carbon dioxide and nitrous oxide, and after breaking through the membrane, a stream of hot gaseous products of combustion is directed into the volume of the vessel pressure. When hot gaseous products of combustion are mixed with liquefied gases, heating, evaporation and exothermic decomposition of nitrous oxide occurs with an increase in gas volume by 1.5 times the amount of nitrous oxide contained in the pressure vessel. When the gas pressure in the pressure vessel rises, the control valve on the pipeline between the pressure vessel and the object to be filled is opened and the filling is carried out.

Недостатками принятого за прототип способа являются возможность возникновения пика давления при разрыве мембраны пиротехнического источника горячего газа, который может приводить к преждевременному открытию клапана и образованию пробки из твердой углекислоты в трубопроводе, необходимость эксплуатации устройства при заданной ориентации в горизонтальном положении для обеспечения условий безударного смешения жидкости и газа.The disadvantages of the prototype method are the possibility of a pressure peak during rupture of the membrane of a pyrotechnic source of hot gas, which can lead to premature valve opening and the formation of plugs of solid carbon dioxide in the pipeline, the need to operate the device at a given orientation in a horizontal position to ensure shock-free mixing of the liquid and gas.

Технической задачей, решаемой в настоящем изобретении, являлось создание способа, исключающего возможность возникновения пика давления в сосуде высокого давления и пригодного для эксплуатации при любой ориентации.The technical problem solved in the present invention was the creation of a method that eliminates the possibility of a pressure peak in the pressure vessel and is suitable for operation in any orientation.

Решение поставленной технической задачи было достигнуто тем, что в способе генерации низкотемпературного газа, включающем операции снаряжения корпуса газогенератора жидким газогенерирующим флюидом в виде смеси сжиженного разбавляющего газа - диоксида углерода и сжиженного экзотермически разлагающегося газа - закиси азота и нагревающим составом в отдельной гильзе, сжигания нагревающего состава и нагрева продуктами сгорания объема сжиженной газовой смеси в корпусе газогенератора для испарения сжиженных газов смеси, инициирования разложения экзотемически разлагающегося газа и подачи образовавшейся газовой смеси под давлением потребителю, осуществляют объемный нагрев смеси сжиженных газов в корпусе газогенератора тепловым излучением от горящего безгазового нагревающего состава на основе оксида МоО₃, в качестве нагревающего состава применяют металлотермический состав, способный к безгазовому горению, в виде сферических или кубических гранул, которые после сгорания и при тепловых ударах сохраняют свои размеры и форму и не обладают адгезией друг к другу, причем в исходные гранулы металлотермического состава вводят в оксидной или металлической форме каталитически активные металлы, выбранные из группы Со, Cr, Fe, Cu, при этом гильза нагревающего состава выполнена из прозрачного для инфракрасного излучения материала, тепловую энергию раскаленных конденсированных продуктов сгорания металлотермического состава направляют в виде теплового излучения, запаса тепла в конденсированном теплоносителе и в виде их сочетаний в объем смеси сжиженных газов и инициируют разложение экзотермически разлагающегося газа из смеси в зонах наибольшего нагрева, а инициирование горения гранулированного безгазового металлотермического нагревающего состава осуществляют с помощью воспламенителя и пироленты, гранулы сгоревшего металлотермического состава выбрасывают из гильзы вышибным зарядом и улавливают в сетчатый раструб, через который проходит газ, выходящий из генератора.The solution of the technical problem was achieved by the fact that in the method of generating low-temperature gas, which includes the operation of equipping the body of the gas generator with a liquid gas-generating fluid in the form of a mixture of liquefied diluting gas - carbon dioxide and liquefied exothermically decomposing gas - nitrous oxide and a heating composition in a separate sleeve, burning the heating composition and heating combustion products of the volume of the liquefied gas mixture in the body of the gas generator to evaporate the liquefied gas mixture, initiating deposits of exothetically decomposing gas and supplying the resulting gas mixture under pressure to the consumer, carry out volumetric heating of the mixture of liquefied gases in the gas generator body by heat radiation from a burning gas-free heating composition based on MoO ₃ oxide, a metal-thermal composition capable of gas-free combustion is used as a heating composition, in the form spherical or cubic granules, which after combustion and during thermal shock retain their size and shape and do not adhere to each other, and in the initial granules of the metallothermal composition are introduced in oxide or metal form into catalytically active metals selected from the group of Co, Cr, Fe, Cu, while the sleeve of the heating composition is made of a material transparent to infrared radiation, the thermal energy of the hot condensed combustion products of the metallothermic composition is sent in the form of thermal radiation, heat reserves in a condensed coolant and in the form of their combinations into the volume of a mixture of liquefied gases and initiate the decomposition of exothermically decomposing I gas from the mixture in the zones of highest heating, and the initiation of combustion of a granular gas-free metal-thermal heating composition is carried out using an igniter and pyrolysis tape, the granules of the burned metal-thermal composition are thrown out of the sleeve with an expelling charge and trapped in a mesh bell through which gas leaving the generator passes.

Сравнительный анализ существенных признаков прототипа и предлагаемого способа показывает, что отличительными признаками предложения являются те, в соответствии с которыми:A comparative analysis of the essential features of the prototype and the proposed method shows that the distinguishing features of the proposal are those in accordance with which:

- нагревающий состав выполняют из металлотермической смеси безгазового горения;- the heating composition is performed from a metal-thermal mixture of gasless combustion;

- в объем смеси сжиженных газов направляют тепловую энергию твердых раскаленных продуктов сгорания металлотермической смеси в виде теплового излучения, запаса тепла в конденсированном теплоносителе и в виде их сочетаний;- the thermal energy of the solid incandescent products of the combustion of the metallothermal mixture is sent to the volume of the mixture of liquefied gases in the form of thermal radiation, the heat reserve in the condensed coolant and in the form of their combinations;

- инициируют разложение экзотермически разлагающегося газа из смеси в зонах наибольшего нагрева.- initiate the decomposition of exothermically decomposing gas from the mixture in the zones of greatest heating.

Таким образом, предложение соответствует критерию патентоспособности "новизна".Thus, the proposal meets the patentability criterion of “novelty”.

Сущность настоящего предложения будет более понятна из рассмотрения фигур чертежа, где:The essence of this proposal will be more clear from a consideration of the figures of the drawing, where:

фиг.1 представляет схему источника низкотемпературного газа с выбрасываемым гранулированным зарядом металлотермической смеси безгазового горения;figure 1 is a diagram of a source of low-temperature gas with ejected granular charge of a metallothermal mixture of gasless combustion;

фиг.2 показывает схему источника низкотемпературного газа с объемным нагревом смеси сжиженных газов в корпусе газогенератора тепловым излучением заряда металлотермической смеси и следующего описания примеров выполнения устройств для реализации предлагаемого способа.figure 2 shows a diagram of a source of low-temperature gas with volumetric heating of a mixture of liquefied gases in the body of a gas generator by thermal radiation of a charge of a metallothermic mixture and the following description of examples of devices for implementing the proposed method.

Пример 1Example 1

На фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа генерации низкотемпературного газа, которое состоит из корпуса газогенератора 1 с пристыкованной к нему гильзой 2 с нагревающим зарядом 3, вышибным зарядом с толкающим поршнем 4 и воспламенителем 5. Полость заряда 3 отделена от полости корпуса газогенератора 1 разрывной мембраной 6. В заднем днище корпуса газогенератора 1 установлены сетчатый раструб 7 и опорная сетка 8, вниз по потоку от которой и перед входом в выходную трубу 9 помещена разрывная мембрана 10. Нагревающий заряд 3 в гильзе 2 выполнен в виде гранулированной насадки из металлотермической смеси, которая сгорает без выделения газа, после сгорания гранулы сохраняют свои размеры и форму, гранулы стойки к тепловым ударам, не слипаются при горении и обладают каталитическими свойствами. Металлотермические составы имеют тепловые эффекты горения 2-4 кДж/г и эта энергия после сгорания остается на месте ее получения, т.е. в гильзе 2, в нагретых до температур 1800-2000°С гранулах как конденсированных теплоносителях.Figure 1 presents a diagram of a device for implementing the method of generating low-temperature gas, which consists of a body of a gas generator 1 with a sleeve 2 attached to it with a heating charge 3, an expelling charge with a pushing piston 4 and an igniter 5. The cavity of the charge 3 is separated from the cavity of the body of the gas generator 1 bursting disc 6. In the rear bottom of the gas generator housing 1, a mesh bell 7 and a support grid 8 are installed, a bursting disc 10 is placed downstream of which and before entering the outlet pipe 9. The heating charge 3 in 2 ze formed as a nozzle of metallothermal granular mixture which burns without gas evolution, granules retain their dimensions and shape after combustion, the granules are resistant to thermal shock, do not stick together during combustion and have catalytic properties. Metallothermal compositions have thermal effects of combustion of 2-4 kJ / g and this energy after combustion remains at the place of its production, i.e. in the sleeve 2, in granules heated to temperatures of 1800-2000 ° C as condensed coolants.

Гранулы металлотермической смеси получают по технологии пластического формования из выбранного состава, включающего основные компоненты - алюминий АСД-4 и триоксид молибдена и дополнительные компоненты типа карбонильного железа и метасиликата натрия. Экспериментально было показано, что с этими добавками гранулы сохраняют размеры и форму после сжигания. Кроме того, в состав вводят катализатор разложения закиси азота.The granules of the metallothermal mixture are obtained by the technology of plastic molding from the selected composition, which includes the main components - aluminum ASD-4 and molybdenum trioxide and additional components such as carbonyl iron and sodium metasilicate. It was experimentally shown that with these additives, the granules retain their size and shape after burning. In addition, a nitrous oxide decomposition catalyst is introduced into the composition.

При реализации способа генерации низкотемпературного газа корпус газогенератора 1 заполняют смесью сжиженных диоксида углерода и закиси азота. Соотношение компонентов смеси выбирают из условия получения требуемой температуры в объекте наполнения после расширения газа от давления в корпусе газогенератора до рабочего давления в объекте наполнения. Начальное давление в корпусе газогенератора соответствует давлению паров смеси сжиженных газов с очень близкими термодинамическими свойствами при температуре эксплуатации, напр. 5,1 МПа при 20°С. Если требуемое давление в объекте наполнения 0,5 МПа, то по заданной температуре в корпусе газогенератора и степени расширения находят температуру после расширения и соотношение компонентов смеси сжиженных газов.When implementing the method of generating low-temperature gas, the body of the gas generator 1 is filled with a mixture of liquefied carbon dioxide and nitrous oxide. The ratio of the components of the mixture is selected from the conditions for obtaining the desired temperature in the filling object after expanding the gas from the pressure in the body of the gas generator to the working pressure in the filling object. The initial pressure in the body of the gas generator corresponds to the vapor pressure of a mixture of liquefied gases with very close thermodynamic properties at operating temperatures, e.g. 5.1 MPa at 20 ° C. If the required pressure in the filling object is 0.5 MPa, then the temperature after expansion and the ratio of the components of the mixture of liquefied gases are found at a given temperature in the gas generator body and the degree of expansion.

Расчет по основному газу конечной газовой смеси (CO₂), приведенный в табл.1, показывает, что удовлетворять поставленным требованиям могут температуры газов в корпусе газогенератора от 300 до 500°С.The calculation of the final gas mixture (CO ₂ ) based on the main gas given in Table 1 shows that gas temperatures in the gas generator housing from 300 to 500 ° C can satisfy the set requirements.

Таблица 1Table 1 Начальная температура в корпусе газогенератора, °СThe initial temperature in the body of the gas generator, ° C 500500 400400 300300 200200 Конечная температура, на выходе, °СFinal temperature at the outlet, ° С 246246 171171 9595 2121

Эти температуры могут быть обеспечены смесями сжиженных диоксида углерода и закиси азота, показанными в табл.2.These temperatures can be provided by mixtures of liquefied carbon dioxide and nitrous oxide, shown in table.2.

Таблица 2table 2 ПараметрParameter Температура, °СTemperature ° C 500500 400400 300300 200200 Доля N₂O в исходной смеси, кг/кг смесиThe proportion of N ₂ O in the initial mixture, kg / kg of the mixture 0,41210.4121 0,31670.3167 0,22730.2273 0,14030.1403 Число молей CO₂, моль/кг смесиThe number of moles of CO ₂ mol / kg mixture 13,35713,357 15,52315,523 17,55617,556 19,53219,532 Число молей N₂, моль/кг смесиThe number of moles N ₂ mol / kg of the mixture 9,3609,360 7,1967,196 5,1645,164 3,1883,188 Число молей О₂, Моль/кг смесиThe number of moles O ₂ , mol / kg of the mixture 4,6814,681 3,5983,598 2,5822,582 1,5941,594 Общее число молей газа, моль/кг смесиThe total number of moles of gas, mol / kg of mixture 27,39827,398 26,31726,317 25,30225,302 24,31424,314

По команде осуществляют поджиг гранулированной насадки нагревающего состава 3 в гильзе 2 с помощью малогазового электровоспламенителя 5. Поджиг производят по боковой поверхности насадки, обмотанной малогазовой быстрогорящей пиролентой, так что длина пути поджига всех гранул будет составлять 2-3 диаметра гранул, что при скорости горения 10 мм/с составит менее 1 с при диаметре гранул 2-3 мм. Раскаленные гранулы через цепь огневой задержки поджигают вышибной заряд 4, толкающий поршень которого создает усилие на гранулы насадки и на разрывную мембрану. Мембрана разрывается по рискам на ее поверхности, и гранулы насадки осенаправленно движутся в объем смеси сжиженных газов со скоростью, определяемой импульсом силы давления вышибного заряда на толкающий поршень. Толкающий поршень удерживается от вылета в объем смеси сжиженных газов с помощью буртика в гильзе.On command, they ignite the granular nozzle of the heating composition 3 in the sleeve 2 using a low-gas electric igniter 5. Ignition is performed on the side surface of the nozzle wrapped with a small-gas quick-burning pyrolysis, so that the length of the ignition path of all granules will be 2-3 granule diameters, which at a burning rate of 10 mm / s will be less than 1 s with a diameter of granules of 2-3 mm. The heated pellets through the fire retardation chain set fire to the expelling charge 4, the pushing piston of which creates a force on the nozzle granules and on the bursting disc. The membrane is torn apart by risks on its surface, and the nozzle granules are directed in the direction of the volume of the mixture of liquefied gases at a speed determined by the impulse of the pressure force of the expelling charge on the pushing piston. The pushing piston is kept from escaping into the volume of the mixture of liquefied gases by means of a collar in the sleeve.

Вокруг раскаленных гранул в объеме сжиженных газов образуются зоны наибольшего нагрева в виде облаков газов с температурой, которая достаточна для инициирования термического или термокаталитического разложения газообразной закиси азота с выделением тепла, идущего на нагрев окружающей жидкости и интенсификацию разложения закиси азота. Каждая раскаленная гранула является дискретным конденсированным теплоносителем, отдающим запас тепла смеси сжиженных газов и далее газовой смеси для инициирования разложения закиси азота. При повышении давления в корпусе газогенератора 1 разрывается мембрана 10 и открывает выход газам в выходную трубу 9. Движение двухфазной среды увлекает за собой гранулы, которые попадают в сетчатый раструб, ограниченный опорной сеткой. Собранные в раструбе гранулы образуют насадку со случайной укладкой гранул. Эта насадка, обладая каталитическими свойствами, гарантирует полноту разложения закиси азота на выходе из источника низкотемпературного газа.Around the heated pellets in the volume of liquefied gases, the zones of greatest heating are formed in the form of gas clouds with a temperature that is sufficient to initiate the thermal or thermocatalytic decomposition of gaseous nitrous oxide with the release of heat, which is used to heat the surrounding liquid and intensify the decomposition of nitrous oxide. Each heated pellet is a discrete condensed coolant that gives off the heat reserve of a mixture of liquefied gases and then a gas mixture to initiate the decomposition of nitrous oxide. With increasing pressure in the body of the gas generator 1, the membrane 10 breaks and opens the gas outlet to the outlet pipe 9. The movement of the two-phase medium entrains granules that fall into the mesh socket bounded by the support mesh. The granules collected in the bell form a nozzle with random packing of granules. This nozzle, possessing catalytic properties, guarantees the completeness of decomposition of nitrous oxide at the outlet of the source of low-temperature gas.

Диаметр гранул выбирают из условия, чтобы остывание гранул происходило в течение времени действия источника низкотемпературного газа. С учетом проведенных экспериментов по определению коэффициента температуропроводности сгоревших гранул, расчетами по теории нестационарного охлаждения с поверхности при бесконечно большом коэффициенте теплоотдачи получили, что для остывания таких гранул в течение 1 с достаточно иметь их диаметр 3 мм.The diameter of the granules is chosen so that the cooling of the granules occurs during the duration of the source of the low-temperature gas. Taking into account the experiments to determine the thermal diffusivity of burnt granules, calculations by the theory of unsteady cooling from the surface at an infinitely large heat transfer coefficient, it was found that for cooling such granules for 1 s, it is enough to have a diameter of 3 mm.

Применение кубических гранул позволяет увеличить плотность упаковки в гильзе при ее диаметре больше 8-10 размеров стороны куба и при заданной общей энергии металлотермического состава уменьшить объем гильзы.The use of cubic granules makes it possible to increase the packing density in a sleeve with its diameter greater than 8-10 sizes of the side of the cube and, for a given total energy of the metal-thermal composition, to reduce the volume of the sleeve.

Пример 2Example 2

На фиг.2 представлена схема источника низкотемпературного газа с объемным нагревом смеси сжиженных газов в корпусе газогенератора тепловым излучением заряда металлотермической смеси. Такой источник низкотемпературного газа состоит из корпуса газогенератора 1 для смеси сжиженных газов, внутри которого расположена трубчатая гильза 2 нагревательного заряда 3, выполненная из материала, прозрачного для инфракрасного излучения, например кварца. Гильза 2 заполнена металлотермическим составом с высокой температурой горения и высокой скоростью горения. Такими составами являются Al/МоО₃ (5574 К), или Al/WO₃ (5544 К), или Al/SnO₂ (5019 К) или ряд других на основе оксидов тяжелых металлов. Адиабатические температуры реакции приведены без учета фазовых переходов. В силу низкой удельной теплоемкости металлов твердые продукты горения этих составов не могут служить дискретными твердыми теплоносителями в объеме сжиженных газов, поскольку запас тепловой энергии в них при температурах ниже 1500 К составляет около 25% от начального при температуре около 5000 К. Передняя часть гильзы снабжена воспламенителем 5. Свободный конец гильзы 2 опирается на решетку 11 с отверстиями преимущественно вокруг гильзы 2. В задней части корпуса газогенератора 1 расположен приемный раструб с разрывной мембраной 10 и выходным патрубком 9.Figure 2 presents a diagram of a source of low-temperature gas with volumetric heating of a mixture of liquefied gases in the body of the gas generator by thermal radiation of the charge of the metallothermic mixture. Such a source of low-temperature gas consists of a body of a gas generator 1 for a mixture of liquefied gases, inside of which there is a tubular sleeve 2 of a heating charge 3, made of a material transparent to infrared radiation, for example quartz. The sleeve 2 is filled with a metallothermal composition with a high combustion temperature and a high burning rate. Such compositions are Al / MoO ₃ (5574 K), or Al / WO ₃ (5544 K), or Al / SnO ₂ (5019 K), or a number of others based on heavy metal oxides. Adiabatic reaction temperatures are given without phase transitions. Due to the low specific heat of metals, the solid combustion products of these compositions cannot serve as discrete solid heat carriers in the volume of liquefied gases, since the thermal energy in them at temperatures below 1500 K is about 25% of the initial at a temperature of about 5000 K. The front part of the sleeve is equipped with an igniter 5. The free end of the sleeve 2 rests on the grill 11 with holes mainly around the sleeve 2. At the rear of the housing of the gas generator 1 there is a receiving bell with a bursting disc 10 and an output path cabin 9.

Заполнение гильзы зарядом 3 металлотермической смеси, например Al/МоО₃, осуществляют либо глухим прессованием в гильзу, либо путем загрузки в нее отдельных цилиндрических элементов, которые получают прессованием сухой металлотермической смеси, шликерным литьем в гипсовые формы или пластическим формованием, например экструзией. Прессованием при умеренных давлениях (7 МПа) получают плотность прессования около 1,9 г/см³, что составляет около 50% от теоретической плотности. Предпочтительно после заполнения гильзы вакуумировать ее полость для уменьшения внутреннего давления, возникающего при горении заряда.Filling a sleeve with a charge 3 of a metallothermal mixture, for example, Al / MoO ₃ , is carried out either by blank pressing into a sleeve or by loading individual cylindrical elements into it, which are obtained by pressing a dry metallothermic mixture, slip casting into gypsum molds or plastic molding, for example by extrusion. Compression at moderate pressures (7 MPa) gives a compaction density of about 1.9 g / cm ³ , which is about 50% of the theoretical density. Preferably, after filling the sleeve, evacuate its cavity to reduce the internal pressure arising from the combustion of the charge.

При работе подают сигнал на воспламенитель нагревательного заряда 3, скорость горения которого составляет 5-10 м/с, а температура горения достигает 5000-5500 К до осуществления фазовых переходов. В этих условиях продукты горения представляют собой сильно излучающий пар восстановленного металла Мо и оксида алюминия Al₂О₃. Поскольку тепловой эффект горения для Al/МоО₃ составляет 2,146 кДж/г и по меньшей мере 75% этого тепла будет высвечиваться, то оно может быть использовано для испарения диоксида углерода и инициирования разложения закиси азота. Для испарения 13,357 молей диоксида углерода из 1 кг смеси, как в табл.2, при скрытой теплоте испарения около 10 кДж/моль потребуется 83 г состава Al/МоО₃/ кг смеси сжиженных газов. В источнике низкотемпературного газа с массой смеси сжиженных газов 1 кг гильза длиной 20 см будет иметь внутренний диаметр 1,62 см при внутреннем диаметре корпуса 9,2 см. Поскольку диоксид углерода и закись азота являются трехатомными сильно поглощающими тепловое излучение газами, то основная концентрация нагрева происходит в зоне около гильзы и большая часть газовой фазы находится около гильзы. Выход газа осуществляется через отверстия решетки вокруг гильзы.During operation, a signal is supplied to the igniter of the heating charge 3, the burning rate of which is 5-10 m / s, and the combustion temperature reaches 5000-5500 K before phase transitions are made. Under these conditions, the combustion products are a highly emitting vapor of the reduced metal Mo and aluminum oxide Al ₂ O ₃ . Since the thermal effect of combustion for Al / MoO ₃ is 2.146 kJ / g and at least 75% of this heat will be highlighted, it can be used to evaporate carbon dioxide and initiate decomposition of nitrous oxide. For the evaporation of 13.357 moles of carbon dioxide from 1 kg of the mixture, as in Table 2, with a latent heat of vaporization of about 10 kJ / mol, 83 g of the composition Al / MoO ₃ / kg of the mixture of liquefied gases will be required. In a source of low-temperature gas with a mass of a mixture of liquefied gases 1 kg, a sleeve 20 cm long will have an internal diameter of 1.62 cm with an internal diameter of the body of 9.2 cm. Since carbon dioxide and nitrous oxide are triatomic gases that strongly absorb heat radiation, the main concentration of heating occurs in the zone near the liner and most of the gas phase is near the liner. The gas outlet is through the holes of the grate around the sleeve.

Достоинством этой схемы является высокое быстродействие, поскольку время горения в устройствах длиной до 20 см составит менее 0,04 с, а время высвечивания, т.е. время снижения температуры от 5000 К до 1500 К, будет для отдельных частиц микронного размера порядка 10^-5 с, а для их совокупности с учетом переизлучений в объеме гильзы оценочно на два-три порядка больше.The advantage of this scheme is its high speed, since the burning time in devices up to 20 cm long will be less than 0.04 s, and the flash time, i.e. the time for temperature reduction from 5000 K to 1500 K will be about 10 ^-5 s for individual particles of micron size, and for their combination, taking into account re-radiations in the sleeve volume, it will be estimated to be two or three orders of magnitude longer.

Эксперименты по сжиганию составов с МоО₃ и WO₃ в вакууме показали, что конечные продукты горения являются мелкодисперсной пылью, свидетельствуя об образовании сначала паровой фазы с последующими конденсацией и высвечиванием.Experiments on the combustion of compounds with MoO ₃ and WO ₃ in vacuum showed that the final combustion products are fine dust, indicating the formation of the vapor phase first, followed by condensation and emission.

Объем изобретения охватывает все промежуточные варианты источников низкотемпературного газа, сочетающих в разных пропорциях использование для нагрева конденсированных теплоносителей и теплового излучения.The scope of the invention covers all intermediate variants of sources of low-temperature gas, combining in different proportions the use of condensed fluids and heat radiation for heating.

Применение предлагаемого способа генерации низкотемпературного газа позволяет создавать газогенераторы с высоким быстродействием, с минимальным числом дополнительных узлов и с высоким коэффициентом заполнения объема газогенератора газогенерирующими материалами.The application of the proposed method for generating low-temperature gas allows you to create gas generators with high speed, with a minimum number of additional nodes and with a high fill factor of the volume of the gas generator with gas-generating materials.

Источники информацииInformation sources

1. WO 97/41027, Nissen R.B. Inflatable structure, in particular life boat. 1997.1. WO 97/41027, Nissen R.B. Inflatable structure, in particular life boat. 1997.

2. US 3143445 Hebenstreit L.V. Generation of gaseous mixtures for inflatable devices. 1964.2. US 3143445 Hebenstreit L.V. Generation of gaseous mixtures for inflatable devices. 1964.

3. US 6877698. Baker J.J., Eskildsen J. Aircraft evacuation slide inflation system using stored liquefied gas capable of thermal decomposition. 2004.3. US 6877698. Baker J.J., Eskildsen J. Aircraft evacuation slide inflation system using stored liquefied gas capable of thermal decomposition. 2004.

Claims

A method of generating a low-temperature gas, including the operation of equipping the body of a gas generator with a liquid gas-generating fluid in the form of a mixture of liquefied diluting gas — carbon dioxide and liquefied exothermically decomposing gas — nitrous oxide and a heating composition in a separate sleeve, burning the heating composition and heating the volume of the liquefied gas mixture in the case by burning products a gas generator for evaporating the liquefied gases of the mixture, initiating decomposition of the exothermically decomposing gas and supplying the resulting I gas mixture under pressure to a consumer, characterized in that they carry out volumetric heating of a mixture of liquefied gases in a gas generator body by heat radiation from a burning gas-free heating composition based on MoO ₃ oxide, a metal-thermal composition capable of gas-free combustion in the form of spherical or cubic granules, which after combustion and during thermal shock retain their size and shape and do not have adhesion to each other, moreover, the initial granules of the metallothermal composition and catalytically active metals selected from the group of Co, Cr, Fe, Cu are introduced in an oxide or metal form, while the sleeve of the heating composition is made of a material transparent to infrared radiation, the thermal energy of the hot condensed combustion products of the metal-thermal composition is sent as thermal radiation, stock heat in the condensed coolant and in the form of their combinations into the volume of the mixture of liquefied gases and initiate the decomposition of exothermically decomposing gas from the mixture in the zones of highest heating, and The initiation of combustion of a granular gas-free metal-thermal heating composition is carried out using an igniter and pyrolyte, the granules of the burned metal-thermal composition are thrown out of the sleeve with a knockout charge and trapped in a mesh bell through which gas leaving the generator passes.