Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 28, 12 2022 122 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC TÍNH TOÁN NHIỆT LƯỢNG CHÁY CỦA THUỐC HỎA THUẬT TRÊN CƠ SỞ MAGIE TEFLON VITON NGUYỄN[.]
Nghiên cứu khoa học cơng nghệ XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC TÍNH TỐN NHIỆT LƯỢNG CHÁY CỦA THUỐC HỎA THUẬT TRÊN CƠ SỞ MAGIE-TEFLON-VITON NGUYỄN NAM SƠN (1), ĐÀM QUANG SANG (1), NGUYỄN VĂN TÍNH (1) ĐẶT VẤN ĐỀ Thuốc hỏa thuật (THT) sở Magie-Teflon-Viton sử dụng phổ biến đạn mồi bẫy hồng ngoại, mục tiêu giả cho tên lửa bắn tập làm thuốc mồi cho động tên lửa [1-4] Loại THT cháy giải phóng nhiệt lượng lớn phát xạ hồng ngoại mạnh vùng hồng ngoại đặc trưng động máy bay, xe tăng Với loại THT khác nhau, để lựa chọn đơn thành phần hợp lý, thông số đặc trưng lượng cần xác định tính tốn lý thuyết thực nghiệm Trong đó, nhiệt lượng cháy thông số đặc trưng lượng quan trọng cần nghiên cứu Tùy vào mục đích sử dụng mà THT lựa chọn có nhiệt lượng cháy cao hay thấp [5, 6] Các loại THT phát xạ hồng ngoại chiếu sáng yêu cầu nhiệt lượng cháy cao để tạo hiệu ứng cần thiết Hiện nay, trước nghiên cứu thực nghiệm THT, nhà nghiên cứu thường xây dựng mơ hình lý thuyết để dự đoán đặc trưng lượng THT [3, 7] Sau đó, dựa kết tính toán xác định sơ thành phần THT tiến hành chế tạo, thực nghiệm xác định đặc trưng lượng Cơng đoạn tính tốn lý thuyết giúp giảm số lượng thí nghiệm rủi ro trình thực nghiệm Mục tiêu nghiên cứu trình bày báo đưa phương pháp xác định nhiệt lượng cháy lý thuyết thực nghiệm MƠ HÌNH TỐN HỌC XÁC ĐỊNH NHIỆT LƯỢNG CHÁY CỦA THT MTV Để xác định nhiệt lượng cháy THT, trước hết ta phải xác định thành phần sản phẩm cháy Thành phần sản phẩm cháy xác định phương pháp tính tốn cân hóa học theo nguyên lý cực tiểu hóa lượng tự Helmholtz Giả sử, kg thuốc hỏa thuật ban đầu biết trước số mol nguyên tử nguyên tố bi (1 ≤ i ≤ k) Trong đó, k số nguyên tố có hệ Khi cháy đốt cháy bom kín hút chân không, hệ THT tạo sản phẩm cháy có số mol nj (1 ≤ j ≤ NS) Với NS số sản phẩm cháy, số sản phẩm khí NG Khi đó, lượng tự Helmholtz f hỗn hợp sản phẩm cháy xác định theo công thức [8, 9]: NS f j 1 122 j nj (1) Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 28, 12-2022 Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Trạng thái cân hóa học xác định bề mặt cháy sản phẩm khí sinh khí lý tưởng Hóa cấu tử thứ j tính sau [8, 9]: j f n j Trong đó: T ,V ,ni j j j n j R 'T RT ln V j 1, , NG j (2) j NG 1, , NS - hóa cấu tử j điều kiện tiêu chuẩn (kJ/mol); R - số khí lý tưởng (kJ/molK); R’=R/105; T - nhiệt độ (K); V - thể tích riêng (m3/kg); V = V0/m; V0 - thể tích bom nhiệt lượng (m3); m - khối lượng THT đốt bom (kg); Giá trị j tính theo cơng thức [9]: j G H 298 H 0f j ,298 T T j (3) G H 298 Ở đây: H f j ,298 lượng tự biểu kiến nhiệt T j sinh tiêu chuẩn 298 K, giá trị tra bảng tra hàm nhiệt động học [10] tính thơng qua hàm hồi quy hàm nhiệt động [8, 9, 11-13] Quá trình cháy bom kín coi q trình đoạn nhiệt THT cháy nhanh, trao đổi nhiệt qua thành bom chưa kịp thực trước cân hóa học thiết lập, đó: U = U* (4) Nội hỗn hợp sản phẩm cháy U tính theo cơng thức [9]: NS U n jU 0j (5) H 0j (T ) RT ( j 1, , NG ) Với: U ( j NG 1, , NS ) H j (T ) (6) j 1 j Trong đó, U 0j nội áp suất tiêu chuẩn cấu tử j (kJ/mol); H 0j (T ) entanpy cấu tử j nhiệt độ T (kJ/mol) tính thơng qua hàm hồi quy hàm nhiệt động [8, 9, 11-13]: a ln T T T2 T3 T a8 j H 0j (T ) RT 12j a2 j a3 j a4 j a5 j a6 j a7 j T T T (7) Với a1j, a2j, …, a8j, a9j hệ số phương trình nhiệt động cấu tử j tra tài liệu [11, 12] Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 28, 12-2022 123 Nghiên cứu khoa học công nghệ Nội ban đầu U* THT xấp xỉ nhiệt tạo thành tiêu chuẩn [14]: M U * (H 0f ) 298 mi ( H 0f ) 298 i (8) i 1 ( H 0f ) 298i Ở đây, mi - khối lượng cấu tử thứ i hỗn hợp THT; - nhiệt tạo thành tiêu chuẩn cấu tử i (kJ/kg); M - số cấu tử hỗn hợp THT Từ phương trình (4), (5), (6) (8) ta có: NS NG M j 1 j 1 i 1 n j H 0j (T ) n j RT mi ( H 0f ) 298 (9) Khi thành phần sản phẩm cháy đạt trạng thái cân bằng, lượng tự f hệ phải có giá trị cực tiểu: NS f (n j ) j 1 j NG n j R 'T n j RT n j ln minimum j 1 V (10) Đồng thời phải thỏa mãn phương trình cân vật chất với nguyên tố hóa học hệ: NS j 1 ij n j bi (i 1, , k ) (11) Trong đó: k - số nguyên tố hóa học có mặt THT; bi - số mol nguyên tố thứ i THT; αij - số nguyên tử nguyên tố thứ i sản phẩm cháy thứ j Như toán xác định thành phần cân hóa học theo nguyên lý cực tiểu hóa lượng tự Helmholtz thực chất tốn tối ưu hóa có điều kiện ràng buộc (4, 10) với hàm mục tiêu lượng tự f Sau tìm số mol sản phẩm cháy nj, nhiệt lượng cháy hệ THT Qv Qspc QTHT nspk RT Qcp xác định sau: (12) NS Qspc n j H f M 298 j QTHT mi H f 298i j 1 i 1 Trong đó: (kJ); (kJ); M - số cấu tử hỗn hợp THT; mi - khối lượng cấu tử thứ i thành phần THT (kg); H f 298 j - nhiệt tạo thành tiêu chuẩn sản phẩm cháy thứ j (kJ/mol); R - số khí lý tưởng 0,008314 kJ/(mol.K); T = 298K nhiệt độ tiêu chuẩn; Qcp - nhiệt chuyển pha cấu tử pha ngưng tụ pha khí (kJ) Sơ đồ thuật tốn tính nhiệt lượng cháy THT trình bày hình 124 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 28, 12-2022 Nghiên cứu khoa học công nghệ Bắt đầu Nhập công thức phân tử chất THT, M, mi, (ΔHof)298i, V0, m, sai số ε, khởi tạo T0 Nhập thơng số tính tốn lượng tự Helmholtz: NS, NG, bi, αij, (j=1, …, NS; i=1, …, k), R, a1j, a2j, …, a9j Tính nội hỗn hợp THT U* theo (8) T0 = T1 Xác định thành phần cân nj hệ ứng với nhiệt độ T0 thể tích riêng V theo nguyên lý cực tiểu hóa lượng Helmholtz Giải phương trình phi tuyến (9) tìm giá trị nhiệt độ T1 SAI |T1 -T0| ≤ ε ĐÚNG Tính nhiệt lượng cháy hệ Qv theo T1 In kết Kết thúc Hình Sơ đồ thuật tốn tính nhiệt lượng cháy THT PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ĐO NHIỆT LƯỢNG CHÁY CỦA THT MTV 3.1 Nguyên liệu Bột Mg có kích thước hạt từ 63÷100 μm (tỷ trọng 1,73 g/cm3), lấy từ hãng Xilong Bột Teflon (PTFE) có kích thước hạt từ 10÷200 μm (tỷ trọng 2,31 g/cm3), hãng Xilong Nhựa Viton A có hàm lượng flo đạt 66% (tỷ trọng 1,81 g/cm3), hãng Xilong Aceton tinh khiết 99,5%, hãng Xilong Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 28, 12-2022 125 Nghiên cứu khoa học công nghệ 3.2 Chuẩn bị mẫu Nhựa Viton A hòa tan vào aceton với tỷ lệ polyme/dung mơi 1/15 (khối lượng/thể tích), đậy kín ngâm khoảng 6÷8 cho Viton A tan hết Bột Mg PTFE tiến hành trộn khô sàng 0,8 mm khoảng 5÷7 lần Sau đó, tiến hành cho hỗn hợp Mg/PTFE vào dung dịch Viton A chuẩn bị (theo tỷ lệ thành phần xác định), khuấy 20 phút Hỗn hợp hong khô 30 phút tiến hành sàng tạo hạt sàng 0,8 mm Cuối hỗn hợp THT sấy đối lưu 60oC để đuổi dung môi Thành phần THT sở Magie-Teflon-Viton trình bày bảng Bảng Thành phần THT sở Magie-Teflon-Viton Tỷ lệ thành phần (% khối lượng) Nguyên liệu Kích thước hạt (μm) M1 M2 M3 M4 M5 M6 Mg 63÷100 30 35 40 45 50 55 Teflon (PTFE) 10÷200 65 60 55 50 45 40 5 5 5 Viton A 3.3 Phương pháp đo nhiệt lượng Nhiệt lượng cháy THT MTV xác định thiết bị Parr 6200 [15] Các mẫu thuốc trước đo sấy khô 60oC giờ, cân mẫu đo với khối lượng khoảng gam cân phân tích Tiến hành cắt 15 cm dây điện trở quấn thành dạng dây mayso, hai đầu dây nối vào hai cực điểm hoả bom Nạp mẫu đo vào cốc đốt, cho mẫu thuốc phủ kín dây mayso, đậy nắp bom, xốy chặt Sau hút chân khơng tới áp suất khoảng mbar Đóng kín van, đặt bom vào bình trao đổi nhiệt chứa lít nước chuẩn bị từ trước Lắp hai dây điểm hoả vào hai cực nắp bom, đậy nắp thiết bị đo Sau nhập giá trị khối lượng mẫu đo vào máy nhấn nút “Start” Sau ổn định nhiệt độ bên trong, máy phát tín hiệu điểm hoả Kết phép đo xuất qua máy in lưu nhớ thiết bị Mỗi mẫu THT tiến hành đo lần, kết nhiệt lượng cháy xác định trung bình cộng lần đo KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trên sở thuật tốn trình bày mục 2, tác giả viết chương trình tính tốn để xác định thành phần cân hóa học nhiệt lượng cháy hệ THT Chương trình tính tốn xác định điều kiện đẳng tích (đốt bom kín) Kết tính so sánh với số liệu thực nghiệm (bảng hình 2) 126 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 28, 12-2022 Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Kết xác định nhiệt lượng cháy THT MTV lý thuyết thực nghiệm Mẫu Tỷ lệ Mg/PTFE Cân flo Kb M1 30/65 M2 Nhiệt lượng cháy (cal/g) Thực nghiệm 1940±25 35/60 -8,28 2195 2125±50 M3 40/55 -20,00 2005 2075±30 M4 45/50 -31,71 1820 1950±35 M5 50/45 -43,43 1635 1655±50 M6 55/40 -55,14 1540 1485±45 Nhiệt lượng cháy (cal/g) 3,44 Lý thuyết 2145 Lý thuyết Thực nghiệm 2500 2000 1500 1000 30/65 35 /6 40/55 45 /5 50/45 5 /40 Tỷ lệ khối lượng Mg/PTFE Hình Nhiệt lượng cháy THT MTV Q trình đốt cháy MTV theo mơ hình động học De Yong [3] đặc trưng phương trình sau (với sản phẩm phản ứng chính): - Dư chất cháy: MTV → MgF2(r+l+k) + Mg(k+l) + C(r) + MgF(k) (1) - Thiếu chất cháy: MTV → MgF2(l+k) + C(r) + CF4(k) (2) - Đủ tỷ lệ thành phần: MTV → MgF2(l+k) + C(r) (3) Với r, l, k trạng thái rắn, lỏng, khí sản phẩm cháy Đối với THT MTV, nguyên tố oxi hóa flo, cân flo (tương tự cân oxi) xác định lượng flo tính gam, giải phóng (hoặc bổ sung cần thiết cho q trình oxi hóa hồn tồn chất cháy) trình đốt cháy 100 gam hỗn hợp THT [16] Ở điều kiện đủ tỷ lệ thành phần (chất oxi hóa phản ứng vừa đủ với chất cháy), cân flo hệ Kb ≈ 0, ứng với tỷ lệ khối lượng Mg ≈ 32% Khi đó, nhiệt lượng cháy phản ứng đạt giá trị lớn Tiếp tục tăng hàm lượng chất cháy Mg, cân oxi âm (thiếu chất oxi hóa), giảm hàm lượng Mg, cân oxi dương (dư chất oxi hóa), điều kiện này, phản ứng diễn khơng hồn tồn, nhiệt lượng cháy giảm Đây tính chất phổ biến loại THT [3] Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 28, 12-2022 127 Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng đồ thị hình cho ta thấy kết phù hợp với quy luật trình bày trên, nhiệt lượng cháy THT MTV đạt cao tỷ lệ Mg/PTFE 35/60 (gần với tỷ lệ khối lượng Mg 32%) Sau đó, nhiệt lượng cháy giảm dần tiếp tục tăng giảm hàm lượng chất cháy Mg (với bước nhảy tỷ lệ khối lượng Mg 5%) Tuy nhiên, tương đồng quy luật thay đổi nhiệt lượng cháy theo tỷ lệ thành phần, kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm có sai lệch Điều giải thích do, tốn lý thuyết xác định điều kiện tiêu chuẩn lý tưởng; Còn thực nghiệm, phản ứng xảy khơng hoàn toàn sản phẩm cháy tiếp tục phản ứng Sự sai khác hoàn toàn chấp nhận tiến hành đánh giá sơ thành phần THT trước tiến hành chế tạo thực nghiệm KẾT LUẬN Dựa nguyên lý cực tiểu hóa lượng tự Helmholtz, tác giả xây dựng chương trình xác định nhiệt lượng cháy hỗn hợp THT MTV Nhiệt lượng cháy xác định thực nghiệm đo thiết bị Parr 6200 Kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm cho thấy, THT MTV hỗn hợp có nhiệt lượng cháy cao có quy luật (giữa lý thuyết thực nghiệm) thay đổi tỷ lệ thành phần Cụ thể, nhiệt lượng cháy đạt cao tỷ lệ thành phần Mg/PTFE đạt 35/60 giảm dần tăng (hoặc giảm) hàm lượng Mg Tuy nhiên, để ứng dụng chế tạo làm THT đạn mồi bẫy hồng ngoại, cần tiến hành nghiên cứu thông số đặc trưng khác nhiệt độ bùng cháy, tốc độ cháy, dải bước sóng phát xạ cường độ phát xạ,… TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 Douda B E., Genesis of infrared decoy flares: the early years from 1950 into the 1970s, Naval Surface Warfare Center Crane Div In, 2009 Koch E C., Metal-fluorocarbon based energetic materials, John Wiley & Sons, 2012, p 15-17 Yong L V D and K J Smit, A theoretical study of the combustion of Magnesium/Teflon/Viton pyrotechnic compositions, Materials Research Laboratory, 1991, p 9-15, 24 Peretz A., Investigation of pyrotechnic MTV compositions for rocket motor igniters, Journal of Spacecraft and Rockets, 1984, 21(2):222-224 Bose A K., Military pyrotechnics: Principles and practices: CRC Press, 2022, p 371-372 Conkling J A and C J Mocella, Chemistry of pyrotechnics: basic principles and theory, CRC Press, 2019, p 1-3, 198-201 Christo F C., Thermochemistry and kinetics models for Magnesium/ Teflon/ Viton pyrotechnic compositions, DSTO Aeronautical and Maritime Research Laboratory, 1999, p 3-5 Gordon S and B J McBride, Computer program for calculation of complex chemical equilibrium, NASA reference publication, 1994, 1311:4-5, 19-20 Sirri F H., Investigation for study of complex chemical equilibrium of combustion products gas mixture, 2004, p 3, 16-17, 22-29, 33-34 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 28, 12-2022