Abstract:
Reaktive Partikelsysteme, oder speziell pyrotechnische Mischungen wie Thermite, haben eine Vielzahl technischer Anwendungen bei der Anzündung, Erzeugung von Leucht- oder Schallerscheinungen oder der Verzögerung eines Effekts. Zu den genannten gehört die Anzündung von Festtreibstoffen oder ein Feuerwerk. Die bekannteste Anwendung kommt allerdings aus der Verbindungstechnik, nämlich das Schweißen von Eisenbahnschienen.
Die Abbrandgeschwindigkeit und die bei der Reaktion entstehende Temperatur einer solchen Mischung sind sicherlich die wichtigsten Größen für deren Einsatz in einer technischen Applikation. ... mehrDabei reagieren die Systeme stark exotherm, ohne externen Sauerstoff, in einer sich selbst-erhaltenden Reaktion, in einem Abbrand oder in einer Deflagration. Die Reaktion findet meist in der festen Phase statt und erzeugt wenig Gas. Die Mischungen bestehen aus Komponenten, die in getrennten Partikeln vorliegen und miteinander vermischt wurden. Der partikuläre Charakter der Systeme, die auftretende chemische Reaktion und der treibende Energie- und Stofftransport machen die Beschreibung solcher Reaktionen auf einer mesoskopischen Ebene äußerst komplex.
In der vorliegenden Arbeit wird ein einfaches Modell entwickelt, das versucht, die wichtigsten physikalischen und chemischen Effekte, die bei der Reaktion solcher Systeme auftreten, zu berücksichtigen und eine Vorhersage für das Reaktionsverhalten, insbesondere den Reaktionsfortschritt zu machen. Bei den ausgesuchten Modellsystemen aus Thermitmischungen sind dies das Abbrandverhalten und die Abbrandgeschwindigkeit. In dem Modell werden Energie- und Stofftransport für die beteiligten Komponenten über eine chemische Reaktionskinetik gekoppelt. Die dabei auftretenden parabolischen partiellen Differentialgleichungen werden mittels Fundamentallösung, dann unter Randbedingungen mit den Greenschen Funktionen, gelöst. Die für das Modell notwendigen Eingangsparameter, Partikel- und Mischungseigenschaften, thermophysikalische und reaktionskinetische Eigenschaften, werden wiederum durch Modelle berechnet oder durch Modellbildung und Anpassung an experimentelle Daten von vier ausgesuchten Thermitmischungen ermittelt. Die Thermitmischungen, bestehend aus den Brennstoff/Oxidator-Kombinationen, Aluminium/Mangan(IV)-oxid, Aluminium/Kupfer(II)-oxid, Titan/Mangan(IV)-oxid und Titan/Kupfer(II)-oxid, werden in einer Konzentrationsreihe experimentell hinsichtlich ihrer Abbrandgeschwindigkeit untersucht. Deren Ergebnis ist die Abbrandgeschwindigkeit als Funktion der Brennstoffkonzentration. Das gleiche Ergebnis erhält man aus den Modellrechnungen, die dann mit den experimentellen Ergebnissen verglichen werden.
Man erhält für alle untersuchten Modellsysteme eine sehr gute Übereinstimmung von experimentell bestimmten Abbrandgeschwindigkeiten mit den aus Modellrechnungen ermittelten. Das Modell eignet sich also sehr gut zur Beschreibung des Reaktionsverhaltens reaktiver Partikelsysteme, deren Reaktion in der festen Phase stattfindet und für die die Gasdynamik nur eine untergeordnete Rolle spielt. Damit wurde ein Modell implementiert, das hilft das Reaktionsverhalten solcher Systeme besser zu verstehen, Vorhersagen über deren Verhalten zu machen und die Entwicklung neuer Systeme zu beschleunigen.
Abstract (englisch):
Reactive particulate systems, especially pyrotechnic mixtures such as thermites, have a variety of technical applications in ignition, generation of luminous or sound phenomena or delaying one of these effects. Examples are the lighting of solid fuels or fireworks. The best-known application, however, comes from a joining technique, namely the welding of railway tracks.
The burn rate and the resulting temperature during the reaction of such a mixture are certainly the most important variables for its use in any technical application. The systems react strongly exothermically, without external oxygen, in a self-sustaining reaction in a combustion process or in a deflagration. ... mehrThe reaction usually takes place in the solid phase and produces little gas. The mixtures consist of components that are present in separate particles that have been mixed. The particulate nature of the systems, the chemical reaction that occurs and the driving energy and material transport make the description of such reactions on a mesoscopic level extremely complex.
In the present work, a simple model is developed that attempts to consider the most important physical and chemical effects that occur in the reaction of such systems, and makes a prediction for the reaction behavior, particularly the reaction progress. For the selected model systems made from thermite mixtures, these are burning behavior and burn rate. In the model, energy and material transport for the components involved are coupled via chemical reaction kinetics. The resulting parabolic partial differential equations are solved using a fundamental solution, then under boundary conditions using Green's functions. The input parameters required for the model, i.e. particle and mixture properties, thermophysical and reaction kinetic properties, are in turn calculated by models or determined by modeling and fitting to experimental data from four selected thermite mixtures. The thermite mixtures, consisting of the fuel/oxidizer combinations, aluminum/manganese(IV) oxide, aluminum/copper(II) oxide, titanium/manganese(IV) oxide and titanium/copper(II) oxide, are experimentally examined in concentration series with regard to their burn rate. The result is the burn rate as a function of the fuel concentration. The same result is obtained from the model calculations, which are then compared with the experimental results.
For all model systems examined, a very good agreement is obtained between experimentally determined burn rates and those determined from model calculations. Therefore, the model is very suitable for describing the reaction behavior of reactive, particulate systems whose reaction takes place in the solid phase and gas dynamics only play a subordinate role. This implements a model that helps to understand better the reaction behavior of such systems, to make predictions about their behavior and to accelerate the development of new systems.
