125789 (Дослідження масотеплообміну на поверхневому шарі вольфраму та оксидів вольфраму), страница 2

Розрахована по формулі (8) залежність представлена на рис.2. Екстремуми на кривій характеризують критичні режими запалення дротику (т. -максимум) та потухання (т. -мінімум) при відповідно критичних значеннях сили струму та . Крива до т. -область низькотемпературного окислення дротику. Щоб перевести дротик із заданою початковою товщиною оксидної плівки до високотемпературного стану, необхідно збільшити силу струму до значення, обумовленого т. , у якій загальний теплоприхід до дротика за рахунок джоулева і хімічного тепловиділення максимально перевищує тепловтрати в газ, до стінок і через кінці дротика до контактів. Для всіх значень сили струму дротик із заданою буде запалюватися і переходити в стійкий високотемпературний стан. Для того, щоб перевести дротик з високотемпературного стану в низькотемпературний, потрібно зменшити значення сили струму до величини . Запалювання дротика силою струму в інтервалі може також відбуватися, якщо його початкова температура вища значення, що лежить на кривій між точками та для відповідного значення . Таким чином, спостерігається гістерезисна поведінка температури дротика в залежності від сили струму, що нагріває його. Область гістерезису обмежується критичними значеннями та _. Критичні режими нестійкі і визначають переходи з низькотемпературного стану до високотемпературного і навпаки. При значеннях сили струму запалювання дротика неможливо ні при яких значеннях його початкової температури.

Рис.2 демонструє, що випар оксиду приводить до збільшення критичного значення сили струму, що характеризує потухання провідника , і значного зменшення температури горіння (крива 2).

Рис.2. Залежність для вольфрамового провідника =70 мкм, =10 см, = =288 K; =0.4 мкм; 1– без врахування випаровування, 2–з врахуванням випаровування WO2; ооо –наші експериментальні дані.

Зростання пояснюється збільшенням тепловтрат від дротика, отже, для збереження умови стаціонарності силу струму потрібно збільшити. Випар окисла не впливає на режими низькотемпературного тепломасообміну і критичні параметри запалювання провідника, тому що при цих температурах швидкість випару невелика.

Кружечками на рис. 2 представлені експериментальні дані, отримані нами для вольфрамового дроту тих же геометричних розмірів.

Спостерігається гарна згода експериментальних і розрахун- кових стаціонарних низько- температурних режимів тепломасообміну.

В даному розділі надаються результати експериментальних досліджень впливу геометричних розмірів дротику (діаметр та довжина) на стійкі та критичні високо- і низькотемпературні його стани. Доказано, що збільшення діаметру вольфрамового зразка приводить до зростання критичних значень сили струму, що визначають його запалювання та потухання. Цей факт пояснюється тим, що при збільшенні діаметру дротика зменшується його опір і для збереження умови стаціонарності необхідно збільшити силу струму. Довжина дротика впливає тільки на тепловой потік теплопровідністю до контактів ( ), значення якого мале в порівнянні з іншими тепловими потоками. Тому зміна довжини дротику практично не впливає на залежності .

Показано, що в областях малих (<40 мкм) і великих (>1000 мкм) діаметрів дротику екстремуми на залежностях переходять в точку перегинувідбувається виродження критичних умов запалення і потухання. Доказано, що випар оксиду з поверхні вольфрамового дротика приводить до збільшення більш ніж у 2 рази критичних значень сили струму і діаметра, при яких відбувається виродження критичних умов.

В результаті розрахунків стаціонарних режимів тепломасообміну і окислення вольфрамового дротика без теплообміну випромінюванням зі стінками установки виявлено інтервал його діаметрів, для якого зникають критичні режими затухання. Залежність для одного із таких діаметрів дротика представлена на рис.3, де видно, що загасити дротик зменшенням сили струму у випадку неможливо.

Рис.3. Залежність для вольфрамового провідника =250 мкм, =10 см, = =288 K, = 0,4 мкм. 1– розрахунок при =0, 2–розрахунок при ≠0. ооо наші експериментальні дані

Таким чином, знайдено інтервал діаметрів вольфра- мового провідника, де недопустимо зневажання в фізико-математичних моделях теплообміном випромінюван- ням.

Із рис. 3 видно, що для визначення критичних параметрів запалювання (т. ) теплообміном випромінюван- ням можно знехтувати. Для цього випадку в роботі отримано аналітичний вираз для розрахунку критичних умов запалювання металевого дротика, який нагрівається електричним струмом в газі:

, (9)

з якого можна визначити критичні значення товщини оксидної плівки, вище яких, при заданій силі струму, високотемпературні режими дротика не спостерігаються.

, , , (10)

ефективна температура провідника, яка у випадку температурної залежності коефіцієнта теплопровідності повітря знаходиться із трансцендентного рівняння:

. (11)

Порівняльний аналіз критичних умов запалювання вольфрамових провідників різних діаметрів представлено на рис. 4. Результати розрахунку критичних значень температур та товщин оксиду , що характеризують запалювання, з використанням формул (10)-(11) (криві 2) добре погоджуються з рішенням по точній моделі (криві 1). Крива 3 відповідає випадку неврахування температурної залежності коефіцієнта теплопровідності повітря при визначенні . Це приводить до значної похибки при визначенні критичних значень температури провідника і товщини оксидного шару на його поверхні. Таким чином, для оцінки критичних умов запалювання провідника можно використовувати формули (9)-(10) та трансцендентне рівняння (11).

Рис.4. Залежності критичних значень температури вольфрамового дротика і товщини оксидного шару від його діаметру. =1 А, =288 К, =10 см, =0, =0, ооо – наші експериментальні дані.

Встановлено, що стефанівська течія приводить до збільшення критичного значення товщини оксидної плівки, при якій частка потухає. Це пояснюється тим, що у випадку стефанівської течії зростають концентрація кисню на поверхні частки та її температура.

4 Результати дослідження. Висновки

1. Експериментально досліджено високотемпературні режими тепломасообміну та окислення вольфрамового дротику, що нагрівається електричним струмом. Визначена стадійність в здійсненні його високотемпературних станів: інертне нагрівання (1 стадія); високотемпературний тепломасообмін та окислення (2 стадія); плавління та випаровування окислів, збільшення, внаслідок цього, швидкості хімічного реагування (3 стадія).

2. розроблена фізико-математична модель тепломасообміну та окислення вольфрамових дротиків, які нагріваються електричним струмом, з урахуванням випаровування оксидної плівки з їх поверхні, результати розрахунків по якій добре погоджуються з експериментальними даними. Встановлено зменшення товщини оксидної плівки на поверхні провідника після досягнення ним максимального значення, що свідчить про значну роль випаровування в процесах високотемпературного тепломасообміну та окислення вольфраму.

3. Вивчено вплив геометричних розмірів провідника на стійкі і критичні низько- та високотемпературні режими тепломасообміну в повітрі. Встановлено, що збільшення діаметру провідника приводить до значного зростання критичних значень сили струму, які визначають його запалювання і потухання, зменшенню стаціонарної температури в низько- та високотемпературних станах. Знайдено критичні параметри виродження критичних умов (товщина окислу, діаметр провідника, сила струму), при яких спостерігаються безкризові переходи до високотемпературних режимів окислення.

4. Теоретично та експериментально вивчена роль теплообміну випромінюванням в процесах високотемпературного окислення вольфрамових провідників різних діаметрів. Вперше встановлено незвичайний факт неможливості потухання палаючих провідників визначених діаметрів при зменьшенні сили струму у відсутності тепловтрат випромінюванням до стінок реакційного устрою. Це дало змогу визначити інтервал діаметрів вольфрамового провідника, для якого значна роль тепловтрат випромінюванням і зневажати ними при оцінках стійких та критичних режимів недопустимо. Доказано, що врахування тепловтрат випромінюванням приводить до значного зменьшення критичних параметрів виродження в області великих діаметрів провідника.

5. Виявлено закономірності впливу природньої і вимушеної конвекцій на часові характеристики та критичні параметри високотемпературного окислення вольфрамових провідників при повздовжньому та поперечному його розташуванні відносно напряму руху повітряних мас. Встановлено, що в умовах природньої конвекції для повздовжнього обтікання провідника більш, ніж в 1.8 разів скорочується час переходу до високотемпературного стану. Це пояснюється виникненням при такому розташуванні навколо провідника прошарку нагрітого газу, що створює сприятливі умови переходу до високотемпертурного стану. В умовах вимушеної конвекції ситуація змінюється на протилежну.

Список використаної літератури

1. Калинчак В.В., Орловская С.Г., Грызунова Т.В., Копыт Н.Н. Высокотемпературное окисление металлов с учетом теплообмена излучением // Физика горения и взрыва.-2002.-Т.38, №2.-С.42-48.

2. Калинчак В.В., Орловская С.Г., Грызунова Т.В. Устойчивые и критические режимы высокотемпературного окисления вольфрамового проводника в воздухе // Теплофизика высоких температур.-2003.-Т.41, № 3.-С.465-469.

3. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В., Копыт Н.Н. Высокотемпературный тепломассообмен и кинетика окисления металлической частицы в воздухе // Химическая физика.-2004.-Т. 23, №3.-С.49-55.

4. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В., Каримова Ф.Ф. Влияние испарения оксидной пленки на высокотемпературное окисление вольфрамовой частицы в воздухе с различным содержанием кислорода // Физика аэродисперсных систем.-2002.-Вып.39.-С.69-76.

5. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В. Высокотемпературное окисление вольфрамового проводника с учетом теплообмена излучением // Физика аэродисперсных систем.-2003.-Вып.40.-С.150-161.

6. Калинчак В.В., Орловская С.Г., Копыт Н.Н., Грызунова Т.В. Горение и самопроизвольное потухание фрикционных искр // “Дисперсные системы” XIX научная конференция стран СНГ.-Одесса, 25-29 сентября 2000.-С.81-82.

7. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В. Устойчивые и критические режимы высокотемпературного окисления вольфрама // Материалы конференции “Естественные и антропогенные аэрозоли”.- Санкт-Петербург, 24-27 сентября 2001.-С.19-20.

8. Калинчак В.В., Орловская С.Г., Грызунова Т.В., Копыт Н.Н. Критические режимы тепломассообмена металлических частиц с воздухом при учете теплообмена излучением // Материалы конференции ”Естественные и антропогенные аэрозоли”.- Санкт-Петербург, 24-27 сентября 2001.-С.14-15.

9. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В., Черных К.В. Влияние испарения оксидной пленки на высокотемпературный тепломассообмен вольфрамового проводника в окислительной среде //IX Международная