125789 (Дослідження масотеплообміну на поверхневому шарі вольфраму та оксидів вольфраму)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра «Технології машинобудування»

Реферат

Дисципліна: Фізика металів

“Дослідження масотеплообміну на поверхневому шарі вольфраму та оксидів вольфраму”

Зміст

1 Мета роботи. Теоретичні дані

2 Визначення об’єкту дослідження

3 Складання математичної моделі теплообміну вольфрамового провідника

4 Результати дослідження. Висновки

Література

1 Мета роботи

1) Виявлення механізмів та встановлення закономірностей впливу фазового переходу (випаровування оксидної плівки), вимушеної та природньої конвекцій, стефанівської течії, тепловтрат випромінюванням до стінок реакційної установки, концентрації окислювача на характеристики високотемпературного окислення та критичні режими запалювання і потухання вольфрамових зразків різної форми (дротики, частки) та розмірів; 2) фізико-математичне моделювання вказаних процесів та явищ, необхідне для вирішення прикладних задач.

Об’єкт дослідження: вольфрамові зразки різної форми (сфера, циліндр), які нагріваються в повітрі з різним вмістом кисню.

Предмет дослідження: високотемпературне окислення і тепломасообмін металевих дротиків та часток з урахуванням випаровування оксидної плівки, випромінювання, конвекції та стефанівської течії на їх поверхні.

Методи дослідження: для вивчення високотемпературного тепломасообміну і окислення металевих дротиків в роботі використовується електротермографічний метод та метод визначення температури за допомогою комп’ютерної обробки цифрового зображення об’єктів дослідження. В теоретичній частині роботи використано методи комп’ютерного моделювання фізичних процесів з застосуванням системи символьної математики MATLAB.

Результати проведених досліджень розширюють знання про механізм та закономірності впливу фазових переходів, випромінювання та конвекції на високотемпературне окислення вольфраму. Отримані результати можуть бути використовані в металургії при розробці легіруючих металів та стійких до механічних навантажень матеріалів, в порошковій промисловості, в радіотерапії та медицині, в авіа- та ракетобудуванні, в приладобудуванні. Запропоновані фізико-математичні моделі, методики досліджень аналізу впливу різних механізмів тепломасообміну та режимних параметрів на високотемпературні стани можуть бути використані для вивчення окислення інших металів.

2 Визначення об’єкту дослідження

Температура дротику, який нагрівався електричним струмом, розраховувалась із залежності його питомого опору від температури. Електротермографічний метод дозволяє вимірювати температури металевих дротиків в широкому інтервалі її значень. В області високих температур (>1100 К) температура вольфрамових дротиків вимірювалась незалежними методами оптичної пірометрії та комп’ютерної обробки цифрового зображення. Спостерігається добре погодження результатів вимірів з використанням цих методів. Окрім того, розроблений нами метод безконтактного визначення температурного поля на основі комп’ютерної обробки цифрового зображення випромінюючих об’єктів дослідження дав змогу визначити розподіл температури повздовж вольфрамового дротику і температуру рухомих вольфрамових часток.

За допомогою отриманих експериментальних часових залежностей температури вольфрамового дротику встановлено послідовність стадій його окислення та тепломасообміну з газом. Перша стадія стадія інертного нагрівання дротика до температури, яка визначається джоулевим тепловиділенням і тепловтратами молекулярно-конвективним шляхом до оточуючого газового середовища. На другій, найбільш продовженій стадії, на поверхні дротику розпочинаються процеси окислення вольфраму з утворенням твердої оксидної плівки, в результаті чого температура дроту зростає до температури плавління оксиду. Завершаюча третя стадія характеризується плавлінням оксидної плівки, її випаровуванням, інтенсивним окисленням вольфраму та перегоранням дротику.

Експериментальним шляхом для різних діаметрів вольфрамових дротиків визначені критичні значення сили струму, при яких спостерігається перехід процесів тепломасообміну та окислення до високотемпературного режиму. Представлені результати експериментальних досліджень впливу природньої та вимушеної конвекцій на характеристики високотемпературного окислення вольфрамових провідників при різній просторовій орієнтації їх відносно напряму швидкості руху повітряних мас. Результати експериментів добре погоджуються з теоретичними розрахунками.

Експериментальні термограми для вольфрамового дроту з геометричними розмірами =70 мкм, =8 см і силі струму =1.15 А показали, що в умовах природньої конвекції при повздовжньому його розташуванні відносно гравітаційних сил час виходу на високотемпературний режим тепломасообміну зменшується практично в 2 рази. Цей факт можна пояснити тим, що у випадку природньої конвекції внаслідок виштовхуючої сили для вертикально розташованого дротика по всій його довжині існує тепловий прошарок, в результаті чого тепловтрати до холодного газу зменшуються, особливо в його верхній частині і перегорання відбувається ближче до верхнього контакту. У випадку горизонтального розташування дротику його перегорання відбувається переважно по центру. При вимушеному потоці повітря ситуація змінюється на протилежнураніше перегорає горизонтально розташований дротик, так як збільшується площина його омивання холодним потоком. Встановлено, що в умовах природньої конвекції критичні значення сили струму, при якому здійснюються високотемпературні стани для вертикально розміщеного дротика менші, чим для горизонтального.

В роботі проведені експериментальні дослідження впливу теплообміну випромінюванням вольфрамового дротика зі стінками реакційної камери на час існування високотемпературного стану дротика. Для зменшення тепловтрат випромінюванням провідник розташовувался в фокусі циліндричного дзеркала. Отримано, что перегорання дротику =210 мкм, =10 см при силі струму =4.5 А у відсутності тепловтрат випромінюванням відбувається на 20 с раніше. Провідник =70 мкм при силі струму =1.05 А в аналогічних умовах перегорає на 10 с раніше. Таким чином, збільшення діаметру дротика приводить до зростання впливу теплообміну випромінюванням, що пов’язано з ростом випромінюючої поверхні.

3 Складання математичної моделі теплообміну вольфрамового провідника

Запропонована фізико-математична модель тепломасообміну та окислення вольфрамового провідника, що нагрівається електричним струмом, з урахуванням випаровування оксидної плівки з його поверхні.

Рівняння теплового балансу має вигляд:

, . (1)

Зміна товщини окисної плівки з урахуванням її випаровування описується рівнянням:

, , (2)

, , , (3)

, , (4)

, , (5)

, , (6)

, (7)

де , , – питома теплоємність, коефіцієнт теплопровідності та густина вольфраму; , , ; , , – температура частки, газу та стінок реакційного устрою, К; – товщина оксидної плівки, м; – відносна масова концентрація кисню в повітрі, =0.23 при =10⁵ Па; – тепловий ефект реакції, ; Nu, Sh – критерії Нуссельта, Шервуда; – коефіцієнт дифузії кисню через плівку окислу, ; – енергія активації, ; – коефіцієнт теплообміну, ; , – коефіцієнт теплопровідності та густина газу, , ; степінь чорноти оксидної плівки; - питомий опір при температурі Т₀=273 К, Омм; –температурний коефіцієнт опору, ; сила струму, А;

– питома теплота пароутворення, ; , – швидкості наростання та випаровування оксидної плівки, ; , , , – густини теплових потоків конвекцією, випромінюванням, до контактів та на випаровування оксиду, ; , густини хімічного та джоулева тепловиділення,

.

Рівняння (1)-(7) описують високотемпературний тепломасообмін і кінетику окислення металевих дротиків при нагріванні їх електричним струмом.

На рис. 1 представлені результати розрахунків по даній фізико-математичній моделі для вольфрамового дротика, який нагрівається електричним струмом в середовищі кисню в порівнянні з експериментальними даними. Коректність побудованої моделі забезпечується добрим погодженням результатів теоретичних та експериментальних досліджень.

Рис.1. Часові залежності температури вольфрамового провідника (а) та товщини окислу на його поверхні (б) при потужності електричного струму

=106,410^-4 Вт/м². =50 мкм, =7 см, =1, швидкість обдуву провідника =0.13 м/с. 1 – з врахуванням, 2 – без врахування тепловтрат на випаровування оксидної плівки; ооо – експериментальні дані [1] Мержанов А.Г. Тепловая теория воспламенения частиц металлов // Ракетная техника и космонавтика. – 1975. – Т.13, №2. – С.106-112.

Без врахування тепловтрат на випаровування оксиду температура дротика зростає, досягає максимального значення, потім зменшується внаслідок збільшення товщини оксиду (рис.1, крива 2). При досягненні товщиною оксидної плівки критичного значення відбувається затухання реакції окислення на поверхні провідника, внаслідок зменшення густини хімічного тепловиділення. Врахування випару оксиду приводить до появи макcимуму на залежності (крива 1), так як швидкість випаровування плівки при певних температурах починає перевищувати швидкість її утворення.

Із умови теплової рівноваги знайдемо залежність сили струму від стаціонарної температури провідника, яка визначає стійкі та критичні режими його окислення і тепломасообміну з газовим середовищем:

. (8)