CATALYST HEAT KNIFE FOR GAS GENERATE Е.S. Borisova and V.M. Khanaev,

CATALYST HEAT KNIFE FOR
GAS GENERATE
V.M. Khanaev, Е.S. Borisova and
N.N.Kundo
Boreskov Institute of catalysis
Novosibirsk, Russia
Problems
H2
CO
Solid – fuel composition
O2
N2
Energy
(Heat, electricity,
chemical energy)
A new approach to controlling the combustion of
solid propellants on the basis of structured
catalysts (porous materials and honeycomb
blocks) was proposed by Kundo N.N.
The use of Catalyst allows :
• To create a low-temperature compositions with a
combustion temperature of 300-1000° C without
using of coolant with a high burning rate
• To obtain a gas
containing oxidizers or combustible components
(H2, CO) or a neutral gas (N2, CO2)
• To control operatively the combustion rate
and combustion chamber pressure
The use of catalysts in
combustion of solid fuels
Catalysts
• iron oxide, copper
chromite, lead oxides
• Plasticizers
(ferrocene
derivatives)
Action
• increase the
combustion rate
• providing a
given burning
rate dependence
on pressure
Reaction zone
•lowtemperature zone
of the flame
•on the surface
of the
burning sample
Form
•the form
of dispersed
powders
Peculiarities of catalytic solid fuels
combustion
• Small residence Time of catalyst particles in the
flame zone 0.0001 - 0.00001 sec
• The temperature of 300 oC - 1000 oC
The model gas generator scheme with
the operating burning rate control
1 – body, 2 – water jacket , 3 - catalyst
block ,
5 – propellant , 6 –
4 – powdered gunpowder,
shaft , 7 - safety valve, 8 – pressure sensor.
Structured catalysts
Combustion solid high energy compositions
with catalytic knife
the regime with combustion
termination
the regime with variation of the
burning rate
pressure
pressure
displacement
displacemen
t
Pressure in the combustor verses the displacement of the propellant charge with
respect to a fixed block catalyst curves
1 - the displacement of the propellant charge
2 - the pressure in the combustor.
Computing
Mathematical model
2. Structured catalyst
1. Propellant
Conservation of mass


2
dc g
Cp f  f
T f  Cp f G f
Tf   f 2 Tf  0
G
 kρg S cs  c g , c g 0   c0

z
z
g
dz
z   : T f  Tin
kS c g  cs   w  Ω2 ρg cs ,Ts 
z  h  : T f  T0
  0 : T f h0   Tin
3.Contact area
Conservation of energy
 2Ts

1  Cpss Ts  1   S 2  Q2  w  2 Ts     S Tg  Ts 

z
1   s


Ts
 e Ts  T0 ;
z z  0 h
dT
 1    S s
  RT 4
e

 f
T f  Cp f T0  Cp g T0  Q1 1   Ts  T0 
dz z  L
z
h
 Tg




u g c p  g
 S T T  z0 :
f
h  1 T0   G f  g
h  1 T0   G g
g
gc  c
z


Tg T0
Kinetics
[H2N - C(NH) - NH - NH2] * HNO3
aminoguanidine nitrate decomposing
CH 7 N 5 O 3  (5 - xt)/2N 2  CO  (2 - t)H 2 O  (1.5  t)H 2  tN x O
CO  H 2 O  CO 2  H 2
N x O     x    
t  20
x  1 2
Catalyst combustion
x
H 2  N x O  N 2  H 2O
2
CO  H 2 O  CO 2  H 2
Effect of catalyst activity
1
Block entrance temperature, C
800
2
3
4
600
5
T0
400
Pre-exponential factor
of the reaction rate
constant
• 1 –1.35*108 1/s,
• 2 – 5*108 1/s,
• 3 - 1.35*109 1/s ,
• 4 – 5*109 1/s,
• 5 - 1.35*1010 1/s.
Block thermal conductivity –
10 W/(m К).
200
0.4
0.5
0.6
0.7
U, mm/sec
Entrance gas flow
temperature
Effect of homogeneous combustion
T0 – gas flow temperature
at the block entrance.
Catalyst thermal conductivity
λ = 5 W/m K
Block entrance temperature, C
1200
t = 0.8
1000
t=1
800
t = 1.5
600
t=2
T0
400
200
0
0.5
1.0
U, mm/sec
1.5
2.0
Effect of catalyst thermal
conductivity
Block entrance temperature, C
1200
1000
5
800
1
2
3
4
600
T0
400
Catalyst thermal
conductivity:
•1 – 2 W |m K,
•2 - 5 W/m К,
•3 - 10 W/m К,
•4 - 15 W/m К,
•5 - 20 W/m К.
Entrance gas flow
temperature
200
0
0.2
0.4
U, mm/sec
0.6
Dependence of maximal fuel burning rate
on the catalyst thermal conductivity
0.7
1
U max, mm/sec
0.6
Block sizes (for square
cannel):
•1 – cannel diameter = 1.2
mm, wall thickness = 0.255
mm
•2 – cannel diameter = 5 mm,
wall thickness = 2 mm
0.5
0.4
0.3
2
0.2
0.1
0
5
10
15
λ, W / (m K)
20
25
Combustion process dynamic
Temperature
distance
Effect of catalyst initial heating
1
1.0
Initial catalytic block
temperature:
• 1 – 12000C,
• 2 – 9500C,
• 3 – 9000C (stationary
combustion regime
couldn’t be obtained).
0.8
2
h, mm
0.6
0.4
0.2
3
0.0
0
2
4
time, sec
6
8
h is the distance between
catalyst and burning fuel. The
initial distance was 1 mm for all
cases.
Catalyst thermal conductivity λ =
10 W/m K, t = 1, U = 0.9 mm/s
Effect of the initial distance between
catalytic block and the surface of burning
fuel
•h is the distance between catalyst and fuel.
Initial distance was 0.5 mm (curve 1), 1 mm
(curve 2) and 2 mm (curve 3, steady state
regime couldn’t be obtained).
•The initial catalyst temperature was 10000C for
all cases.
Catalyst and fuel (the part close to contact zone)
temperature profiles in various time moments
0 – t = 0 s,
1 – t = 0.001 s,
2 – t = 0.005 s,
3 – t = 0.01 s,
4 – t = 0.05 s,
5 – t = 0.1 s,
6 – t = 0.4 s,
7 – t = 1 s,
8 – t = 36 s (steady state regime)
0 – t = 0,
1 – t = 1.5 s,
2 – t = 2 s, 3 – t = 4 s
4 - t = 7 s,
5 – t = 10 s,
6 – t = 36 s (steady state
regime).
Gas generation process dynamics
(decreasing of the fuel burning rate)
0.3
G, kg/(m2 sec)
G, kg/(m2 sec)
1.2
0.8
0.2
0.1
0.0
0
200
400
600
time, sec
0.4
0.0
0
10
20
time, sec
30
800
1000
Gas generation process dynamics
(increasing of the fuel burning rate)
G, kg/(m2 sec)
1.2
1.2
0.8
0.4
0.0
0
2
4
6
8
10
G, kg/(m2 sec)
time, sec
0.8
0.4
0.0
0
200
400
time, sec
600
Conclusions
• Catalytic knife ensures controlled combustion
and forms the basis for the development of lowtemperature gas generators.
• Mathematical modeling of combustion of a
typical condensed substance heated to high
temperatures by a catalyst block is performed.
• The proposed model can be used to describe
correctly steady-state and dynamic regimes. An
increase in the catalytic activity, as well as an
increase in the thermal conductivity of the
catalyst, is found to increase the range of realtime control of the burning rate of the condensed
substance.
Kundo N.N.
Спасибо за внимание!
Конверсия на различных блоках
(с учетом теплопотерь
излучением)
• Диаметр канала –
1.2 мм, толщина
стенки – 0.255
мм; (кривые 1, 3)
• Диаметр канала –
5 мм, толщина
стенки – 2 мм
(кривые 2, 4).
Возможности применения контактного
каталитического горения твердых топлив
1. Создание низкотемпературных газогенераторов с оперативным (командным) управлением
газопроизводительностью и давлением. Применение для наддува емкостей, трапов,
спасательных средств.
2. Применение газогенератора с регулируемым давлением и высокой производительностью
(1,0-1,5 нм3 газа на 1 кг топлива) для установок аварийного всплытия, вытеснения воды.
3. Использование газогенератора с регулируемым газорасходом и давлением для регулируемой
подачи топлива и окислителя в системе ЖРД.
4. Применение длительно хранимых стабильных ТРТ контактного каталитического горения для
двигателей ориентации, стыковки, перемещения в космосе с возможностью многократного
включения и выключения двигателя.
5. Использование каталитического газогенератора в пусковых устройствах для запуска газотурбинных
двигателей, для раскрутки коленчатого вала ДВС, при аварийной остановке основного двигателя.
6. Применение составов, генерирующих горючий восстановительный газ для комбинированных РД.
7. Применение газогенераторов, обеспечивающих получение окислительного газа для
комбинированного РД.
8. Получение горячего топливного газа для обеспечения работы двигателя (например, газотурбинного)
с применением дожигания воздухом.
9. Получение водородного топливного газа для обеспечения работы прямоточного реактивного
двигателя.
10. Создание объектов на основе комбинации порометаллического носителя, обладающего
каталитическими свойствами, с твердым топливом для использования их в качестве ложных целей,
которые интенсивно излучают в инфракрасной области.