CATALYST HEAT KNIFE FOR GAS GENERATE V.M. Khanaev, Е.S. Borisova and N.N.Kundo Boreskov Institute of catalysis Novosibirsk, Russia

Problems Solid – fuel composition 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. H2H2 CO O2O2 N2N2 Energy (Heat, electricity, chemical energy)

The use of Catalyst allows : To create a low-temperature compositions with a combustion temperature of ° 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 Peculiarities of catalytic solid fuels combustion Small residence Time of catalyst particles in the flame zone sec The temperature of 300 o C o C Action increase the combustion rate increase the combustion rate providing a given burning rate dependence on pressure providing a given burning rate dependence on pressure Catalysts iron oxide, copper chromite, lead oxides iron oxide, copper chromite, lead oxides Plasticizers Plasticizers (ferrocene derivatives) Reaction zone low- temperature zone of the flamelow- temperature zone of the flame on the surface of the burning sampleon the surface of the burning sample Form the form of dispersed powdersthe form of dispersed powders

1 – body, 2 – water jacket, 3 - catalyst block, 4 – powdered gunpowder, 5 – propellant, 6 – shaft, 7 - safety valve, 8 – pressure sensor. The model gas generator scheme with the operating burning rate control

Structured catalysts

Combustion solid high energy compositions with catalytic knife 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. the regime with combustion termination the regime with variation of the burning rate displacement pressure displacemen t

Computing

Mathematical model 1. Propellant 2. Structured catalyst Conservation of energy 3.Contact area Conservation of mass

Kinetics aminoguanidine nitrate decomposing Catalyst combustion

Effect of catalyst activity Pre-exponential factor of the reaction rate constant 1 –1.35*10 8 1/s, 2 – 5*10 8 1/s, *10 9 1/s, 4 – 5*10 9 1/s, * /s. Block thermal conductivity – 10 W/(m К). Entrance gas flow temperature

Effect of homogeneous combustion T 0 – gas flow temperature at the block entrance. Catalyst thermal conductivity λ = 5 W/m K

Effect of catalyst thermal conductivity Catalyst thermal conductivity: 1 – 2 W |m K, W/m К, W/m К, W/m К, W/m К. Entrance gas flow temperature

Dependence of maximal fuel burning rate on the catalyst thermal conductivity λ, W / (m K) Block sizes (for square cannel): 1 – cannel diameter = 1.2 mm, wall thickness = mm 2 – cannel diameter = 5 mm, wall thickness = 2 mm

Combustion process dynamic distance Temperature

Effect of catalyst initial heating Initial catalytic block temperature: 1 – C, 2 – C, 3 – C (stationary combustion regime couldn’t be obtained). 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 C for all cases.

Catalyst and fuel (the part close to contact zone) temperature profiles in various time moments 0 – t = 0 s,1 – t = s, 2 – t = 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)

Gas generation process dynamics (increasing of the fuel burning rate)

Conclusions Catalytic knife ensures controlled combustion and forms the basis for the development of low- temperature 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 real- time 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 – 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 нм 3 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.