Способ оценки взрыво- и пожароопасности химических источников тока

Изобретение относится к области производства и испытаний химических элементов питания и может быть использовано для оценки их взрыво- и пожароопасности при эксплуатации.

Химические источники тока (ХИТ) имеют высокую плотность энергии и, как следствие, высокую взрыво- и пожароопасность в экстремальных условиях эксплуатации [1]. Оценка взрыво- и пожароопасности ХИТ важна для минимизации разрушительного воздействия на аппаратуру и обслуживающий персонал в нештатных ситуациях.

Взрывоопасность высокоэнергетических событий оценивается энергией взрыва или тротиловым эквивалентом - мерой энерговыделения, выраженной в массе тринитротолуола (тротила), выделяющей при взрыве равное количество энергии [2]. Пожароопасность ХИТ определяется количеством теплоты, выделяемой при воспламенении и полном выгорании элементов ХИТ (электродов, электролита, корпуса и т.п.) [1, 2].

Известен способ определения взрывоопасности (бризантности) порошкообразных, гранулированных, литых, прессованных, пластичных, жидких и вязкотекучих индивидуальных взрывчатых веществ по обжатию свинцового цилиндра или медного крешера при взрыве заданной навески взрывчатого вещества [3] и способы определения взрывоопасности (фугасности) с помощью свинцовой бомбы, баллистической мортиры и маятника [4].

Известен метод расчета тротилового эквивалента взрыва газо-паровоздушной смеси по удельной теплоте сгорания [5].

Известен способ определения характеристик взрывоопасности (фугасности) боеприпаса, включающий генерацию воздушной ударной волны посредством взрыва боеприпаса и фиксацию изменения геометрических характеристик объекта-свидетеля, подвергаемого воздействию ударной волны. В качестве объекта-свидетеля используют горизонтальную площадку, содержащую слой деформируемого материала с заданными механическими характеристиками [6].

Известно устройство - манометрическая бомба - для исследования горения порохов и взрывчатых веществ [7].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения взрыво- и пожароопасности литиевых ХИТ при повреждении корпуса прокалыванием или пробиванием острым предметом [8].

Недостатком известного решения является невозможность количественной оценки взрыво- и пожароопасности ХИТ.

Техническим результатом настоящего изобретения является количественная оценка взрыво- и пожароопасности ХИТ в виде цилиндрических батарей при пробивании корпуса острым предметом.

Технический результат изобретения достигается тем, что разработан способ оценки взрыво- и пожароопасности химических источников тока в виде цилиндрической батареи, включающий пробивание корпуса цилиндрической батареи острым предметом. Пробивание корпуса цилиндрической батареи осуществляют по ее диаметру заостренным металлическим стержнем диаметром (4÷5) мм в манометрической бомбе. В манометрической бомбе измеряют зависимость давления от времени. Длину заостренного металлического стержня выбирают из соотношения L:D≥1.1, а взрыво- и пожароопасность цилиндрической батареи определяют из соотношений:

где L - длина заостренного металлического стержня, м;

D - диаметр цилиндрической батареи, м;

Q_взр - количество теплоты, выделяемое при взрыве цилиндрической батареи, Дж;

V - величина свободного объема манометрической бомбы, м³;

k - показатель адиабаты газообразных продуктов горения цилиндрической батареи;

p₁ - величина пикового давления в манометрической бомбе в момент пробивания цилиндрической батареи заостренным металлическим стержнем, Па;

p₀ - начальное давление в манометрической бомбе, Па;

- масса тринитротолуола, взрыв которой эквивалентен взрыву цилиндрической батареи, кг;

q_THT=4.52 МДж/кг - удельная теплота взрыва тринитротолуола;

Q_гор - количество теплоты, выделяемое при горении содержимого цилиндрической батареи, Дж;

р₂ - максимальное значение давления в манометрической бомбе, Па.

Сущность изобретения поясняется схемой (Фиг. 1). На Фиг. 1 представлена схема манометрической бомбы для оценки взрыво- и пожароопасности ХИТ в виде цилиндрической батареи при пробивании ее корпуса заостренным металлическим стержнем. Манометрическая бомба содержит цилиндрический корпус 1 диаметром 120 мм, крышку 2, кольцевую гайку 3 и уплотнитель 4. По оси крышки установлено пиротехническое устройство, которое состоит из втулки 5, переходника 6 и пробки 7. Втулка 5 имеет центральный канал диаметром 5 мм, в котором размещают заостренный металлический стержень 8 диаметром 4.5 мм и длиной 50 мм (диаметр цилиндрической батареи не более 35 мм). В переходнике 6 устанавливают электрический капсюль-воспламенитель 9, а в полости 10 размещают навеску пороха 18 массой 0.1 г. В пробке 7 по оси установлен электрод 11 в изоляторе 12. На боковой поверхности корпуса 1 установлен датчик давления 13 и узел выпуска газа 14 с шаровым клапаном 15. Цилиндрическую батарею 16 закрепляют на текстолитовой подложке 17 и устанавливают напротив пиротехнического устройства.

Вид типичной кривой изменения давления при пробитии цилиндрической батареи показан на Фиг. 4. Взрыву цилиндрической батареи соответствует пиковое значение давления p₁ в момент времени пробития корпуса t₁. Последующий рост давления до значения р₂ связан с горением содержимого цилиндрической батареи. Затем, по мере остывания газов, давление в манометрической бомбе уменьшается.

Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.

1. Использование заостренного металлического стержня диаметром 4÷5 мм при пробивании корпуса цилиндрической батареи вызывает внутреннее короткое замыкание, обеспечивая максимальное выделение энергии. При диаметре заостренного металлического стержня менее 4 мм инерции стержня может не хватить для пробития цилиндрической батареи, либо он может расплавиться под действием больших токов, вызванных коротким замыканием. При диаметре заостренного металлического стержня более 5 мм потребуется большое усилие для пробивания корпуса цилиндрической батареи, особенно при наличии корпуса из нержавеющей стали.

2. Использование заостренного металлического стержня с отношением его длины L к диаметру цилиндрической батареи D в соотношении L/D≥1.1 обеспечивает полное пробивание корпуса батареи с замыканием всех обкладок и выделением максимального количества энергии.

3. При пробивании корпуса цилиндрической батареи заостренным металлическим стержнем в момент времени t₁ происходит взрыв, сопровождающийся практически мгновенным повышением давления от начального значения p₀=0.1 МПа до пикового давления взрыва p₁ (Фиг. 4).

Теплота, выделяемая при взрыве ХИТ в манометрической бомбе постоянного объема при отсутствии тепловых потерь через стенки манометрической бомбы, расходуется только на повышение внутренней энергии газа:

где Q_взр - количество теплоты, выделяемое при взрыве ХИТ, Дж;

ΔU - изменение внутренней энергии газа, Дж;

U₁, U₀ - конечное и начальное значения внутренней энергии газа, Дж.

Внутренняя энергия газа определяется формулой [9]:

где ρ - плотность газа, кг/м³;

C_V - удельная теплоемкость газа при постоянном объеме, Дж/(кг⋅К);

Т - температура газа, К.

Из уравнения состояния Менделеева-Клапейрона [9] следует:

где p - давление газа, Па;

R - газовая постоянная, Дж/(кг⋅К).

Подставляя (6) в (5), с учетом уравнения Майера R=C_P-C_V [9], для внутренней энергии газа получим выражение:

где С_Р - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, Дж/(кг⋅К).

Продукты горения ХИТ представляют собой смесь преимущественно двухатомных газов, для которых значение показателя адиабаты k=1.4 [9].

Тогда выражение (4) с учетом (7) примет вид:

Формула (8) позволяет рассчитать энергию взрыва ХИТ по измеренному значению пикового давления взрыва p₁. Для оценки взрывоопасности ХИТ удобно использовать массу тринитротолуола (тротила) , при взрыве которой выделяется энергия взрыва ХИТ Q_взр. Расчет проводится по формуле:

где q_тнт=4.52 МДж/кг - удельная энергия взрыва тротила [2].

4. При воспламенении и горении ХИТ давление в манометрической бомбе повышается от значения p₁ (в момент взрыва t₁) (Фиг. 4), до максимального давления р₂ (достигаемого в момент времени t₂). Полагая, что тепло, выделяемое при горении ХИТ в манометрической бомбе постоянного объема при отсутствии тепловых потерь, расходуется только на повышение внутренней энергии газа, по аналогии с тепловыделением при взрыве ХИТ получим выражение (3):

где Q_гор - количество теплоты, выделяемое при горении содержимого ХИТ.

Пример реализации

Для оценки взрыво- и пожароопасности ХИТ в виде цилиндрической батареи была изготовлена манометрическая бомба со свободным объемом V=0.002 м³ (Фиг. 1, 2).

Реализация способа осуществляется следующим образом.

При подаче электрического импульса на электрод 11 (Фиг. 1) срабатывает электрический капсюль-воспламенитель 9 и воспламеняется навеска пороха 18. Образующиеся газы выталкивают заостренный металлический стержень 8 из канала втулки 5. При срабатывании пиротехнического устройства давление в бомбе поднимается менее чем на 0.01 МПа. Заостренный металлический стержень 8 пробивает батарею 16 и упирается в подложку 17. При пробивании батареи 16, заостренный металлический стержень 8 замыкает внутренние обкладки батареи и вызывает короткое замыкание, сопровождающееся мощным электрическим разрядом. При этом развивается высокая температура и происходит выброс паров электролита батареи 16 (взрыв батареи), ее разрушение и последующее горение. Этот процесс сопровождается изменением давления в манометрической бомбе, которое фиксируется датчиком давления 13. По кривой изменения давления в манометрической бомбе определяются давления p₁, р₂ и по формулам (1) и (2) рассчитывается энергия взрыва ХИТ и ее тротиловый эквивалент, а по (3) - энергия, выделившаяся при горении. После измерений газы удаляются из бомбы при помощи узла выпуска газа 14.

На Фиг. 3 показан вид цилиндрической батареи до и после испытаний.

На Фиг. 4 показано изменение давления в манометрической бомбе при пробивании заостренным металлическим стерженем батареи модели Minamoto ER34615M напряжением 3.6 В. Диаметр батареи 34 мм, высота 61.5 мм, масса 109 г. На Фиг. 4 время начала процесса t₁=0.23 с, время достижения максимального давления t₂=0.92 с, пиковое значение давления p₁=0.415 МПа, максимальное значение давления р₂=4.322 МПа (начальное давление p₀=0.1 МПа).

Количество теплоты, выделяемое при взрыве батареи:

масса тринитротолуола, взрыв которой эквивалентен взрыву батареи:

т.е. взрыв батареи модели Minamoto ER34615M соответствует взрыву 0.35 г тринитротолуола.

Величина тепловыделения при горении батареи:

На Фиг. 5 показано изменение давления в манометрической бомбе при пробивании батареи модели CSC93DD напряжением 3.9 В. Диаметр батареи 33.5 мм, высота 111.5 мм, масса 216 г. На Фиг. 5 время начала процесса t₁=0.09 с, время достижения максимального давления t₂=1.16 с, пиковое значение давления p₁=5.28 МПа, максимальное значение давления р₂=10.2 МПа (начальное давление р₀=0.1 МПа).

Количество теплоты, выделяемое при взрыве батареи:

масса тринитротолуола, взрыв которой эквивалентен взрыву батареи:

т.е. взрыв батареи модели CSC93DD соответствует взрыву 5.73 г тринитротолуола.

Величина тепловыделения при последующем горении батареи:

Приведенный пример доказывает, что при реализации предлагаемого способа оценки взрыво- и пожароопасности ХИТ достигается положительный эффект, заключающийся в следующем.

1. Способ позволяет оценить взрывоопасность ХИТ при пробивании острым предметом (внутреннем коротком замыкании), определяя энергию взрыва и массу тринитротолуола, взрыв которой эквивалентен взрыву батареи.

2. Способ позволяет оценить пожароопасность ХИТ, определяя количество теплоты, которое выделяется при горении ХИТ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нижниковский, Е.А. Современные электрохимические источники тока. М.: Изд-во Радиотехника, 2015. 288 с. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М.: Химия, 1991. 432 с.

2. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М.: Химия, 1991. 432 с.

3. ГОСТ 5984-80 Вещества взрывчатые. Методы определения бризантности. - М.: Издательство стандартов, 1984.

4. ГОСТ 4546-81 Вещества взрывчатые. Методы определения фугасности. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.

5. Расчет процессов горения и взрыва: учебное пособие / В.А. Портола, Н.Ю. Луговцева, Е.С. Торосян. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 108 с.

6. Патент РФ №2595033, МПК F42B 35/00, G01N 33/22. Способ определения характеристик фугасности боеприпаса / Сидоров И.М., Карасев С.В., Колтунов В.В., Заборовский А.Д., Ватутин Н.М. - Опубл. 20.08.2016.

7. Похил П.Ф., Мальцев В.М., Зайцев В.М. Методы исследования процессов горения и детонации. М.: Наука, 1969. - 301 с.

8. Нижниковский Е.А. Обеспечение взрывобезопасности литиевых химических источников тока. // Электрохимическая энергетика. 2001. Т. 1, №3. С. 39-44.

9. Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1968. - 496 с.