Виды энергии используемые для нагрева рабочего тела

Потребность в энергетических ресурсах для процессов промышленного нагрева металлов, воздуха и др., в основном удовлетворяется за счет природного газа, малосернистого мазута и электроэнергии. Твердое топливо и искусственные газы в настоящее время в этих процессах имеют ничтожный удельный вес, и их доля продолжает снижаться. Применение твердого топлива для нагревательных и термических печей не обеспечивает технологических условий работы печи — постоянства температурного и газового режима,— из-за периодической загрузки топлива (изменение коэффициента избытка воздуха в топке), шуровки, чистки решетки, зашлаковывания и создающего чрезвычайно тяжелые условие труда обслуживающего персонала. Использование искусственных газов для отопления нагревательных печей в машиностроительном производстве также не эффективно, так как для газификации топлива требуется сооружение дорогих газогенераторных cтанцмй со значительными капиталовложениями и сложным хозяйством по очистке и транспорту газа. На рациональную структуру потребления топлива и электроэнергии в первую очередь существенное влияние оказывают условия протекания технологических процессов к ним относятся: — теплопередачи лучеиспусканием в значительной степени зависят от теоретической тeмпературы нагрева, однако вееьма существеан- обеспечение надлежащего температурного ровня; — получение продукции заданного качества; — простота и безопасность обслуживания, возможность автоматизаци и т. п. Нагревательные печи предъявляют к топливу жесткие технологические требования. Поэтому выбор вида топлива или электроэнергии для технологического процесса следует начинать с обоснования их технической и технологической применимости. При этом учитываются следующие основные показатели. 1.Возможность получения высокого пирометрического эффекта при сжиганий топлива. Электрические методы нагрева, как правило, не ограничены по пирометрическому уровню, а для. процессов, протекающих при температурах более 2 000°С, электроэнергия является единственно возможным источником получения тепла. Высокие температуры для проведения процессов нагрева легко достигаются и при сжигании мазута. Природный газ при одинаковых с мазутом условиях имеет немного меньшую теоретическую температуру горения (tk). При теоретическом количестве воздуха, необходимого для горения (a = 1,0) и отсутствии его подогрева, природный газ имеет tk = 1980 0 С, а мазут— 2050 0 С. Практически температура горения природного таза выше, чем мазута, благодаря более совершенному смешению его с воздухом. Если для газа вполне достаточен коэффициент избытка воздуха a = 1,l (чему соответствует tk = l 880 0С), то мазут сжигается обычно при a = 1,2 теоретическая температура горения мазута в этом случае составляет 1850 0С, т. е. несколько ниже, чем при сжигании газа.. Применение низкокалорийных искусственных газов (генераторного, доменного и пр.) в процессах нагрева затруднено из-за невозможности получения необходимоro температурного уровня в рабочем пространстве печи без специального подогрева воздуха. 2. Возможность получения светящегося пламени, хорошо передающего тепло. В нагревательных и плавильных печах до 80— -90% тепла, получаемого металлом, передается за счет лучеиспускания от пламени и кладки. Процесс теплопередачи лучеиспусканием в значительной степени зависит от теоретической температуры горения, однако весьма существенное влияние оказывает степень светимости (коэффициент черноты). 3. Физическая чистота газового пламени и отсутствие в нем вредных химических, примесей. Большое значение при выборе технологического топлива имеет его химический состав. Особенно вредное влияние на нагреваемый металл и металлическую аппаратуру оказывают cepa и ее соединения, Атмосфера, содержащая SO2, повышает потери металла при нагревах в виде окалины. Сжигание сернистых топлив приводит также к перерасходу топлива, так как при наличии SO2 в дымовых газах необходимо работать с повышенной температурой уходящих газов. Это требуется для избежания конденсации паров SO2 , кoтopaя вызывает коррозию металлической аппаратуры, расположенной в газовом тракте. По составу продуктов сгорания природный газ дает самое «чистое» пламя. В этом отношении тепло, полученное от сжигания природного газа, наряду с электроэнергией является наиболее эффективным видом энергии для технологических процессов нагрева.

5.2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКИХ И СВЕРХВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Высокотемпературная обработка материалов в газодинамическом дезинтеграторе включает большое числа процессов при очень высоких температурах. В первую очередь к ним следует отнести плавление тугоплавких металлов, сплавов и соединений при двух — трех тысячах градусов и выше. Нанесение покрытий контактными методами, спекание, сварка, пайка, испытания высокотемпературных материалов, в некоторых случаях получение металлов и соединений также требуют исключительно высоких температур. Можно с уверенностью сказать, что именно потребности технологии ВТМ привели к разработке и широкому распространению таких новых методов получения высоких температур, как электронный и плазменный, и в значительной степени способствовали развитию и усовершенствованию некоторых традиционных методов получения высоких температур. Сейчас сложилось такое положение, когда получение высоких температур не ограничивает возможности плавления и обработки наиболее тугоплавких веществ. В производстве и при испытаниях высокотемпературных методов используют главным образом следующие методы получения высоких температур: 1) пламенный нагрев; 2) нагрев сопротивлением; 3) индукционный нагрев; 4) электродуговой нагрев; 5) электронный нагрев; 6) плазменный нагрев. Остановимся подробнее на каждом из этих методов.

Пламенный нагрев

Пламенный нагрев предполагает реализацию тепла, выделяющегося при горении химического топлива. Нагреваемое тело помещается или непосредственно в факел пламени, или в тигель, короб, реторту и другие аппараты, которые обогреваются пламенем снаружи. В последнем случае, если нагреваемое тело не реагирует с материалом реторты, нагрев можно вести в вакууме или в атмосфере требуемого состава. Bottes UGG Soldes В производстве высокотемпературных материалов пламенный нагрев используется для нанесения покрытий и проведения испытаний. Установки для огневых испытаний ВТМ можно разделить на три группы в зависимости от того, какое топливо в них используется: газообразное, жидкое или твердое. Наиболее распространены газообразные топливные смеси: водород-кислородные и ацетилен-кислородные. Калориметрическая температура горения, т.е. расчетная температура пламени без учета диссоциации продуктов горения и теплообмена с окружающей средой, достигает для этих смесей 4000 °С. Однако в реальных условиях диссоциация продуктов горения, например паров воды, может достигать нескольких (до 10) процентов, а тепло, теряемое пламенем на пути до нагреваемого тела, может составлять половину всего тепла. Таким образом, максимальная фактическая температура пламени около поверхности нагреваемого тела обычно находится в пределах 2800—2500 °С в зависимости от избытка кислорода, конструкции горелки, расстояния от горелки до образца.

Нагрев прямым пропусканием тока

Нагрев сопротивлением осуществляется при прохождении электрического тока непосредственно через нагреваемое тело или через нагревательные элементы с определенным электрическим сопротивлением. В этом случае нагреваемое тело окружается нагревателями и получает тепло за счет лучистой энергии. Если мощность электрического тока, проходящего через нагреватель, W=IU (5.15) то в нагревателе за время t выделится энергия P =IU (5.16) или тепло (в калориях) по закону Джоуля — Ленца Q = 0,24 IU = 0,24 I2R , (5.17) где I— сила тока, A; U — напряжение, В; R — сопротивление нагревателей, Ом. Недостатком печей сопротивления следует считать присутствие в горячей зоне паров материала, из которого изготовлен нагреватель, что иногда не позволяет проводить плавку или нагрев веществ соблюдая условия чистоты. При эксплуатации печей сопротивления имеет место определенный расход нагревательных элементов. Из-за сравнительно небольших размеров, наличия водяного охлаждения и некоторых других особенностей для печей сопротивления характерен большой непроизводительный расход энергии. Несмотря на ряд недостатков, печи сопротивления с нагревательными элементами находят применение как в научно-исследовательской практике, так и в производстве для спекания металлокерамических изделий, для плавки карбидов и тугоплавких соединений, для получения силицированного графита.

Индукционный нагрев

Индукционный нагрев электропроводящих материалов осуществляется в печах, представляющих собой, по существу, трансформатор, в котором индуктор — первичная, а нагреваемое тело вторичная обмотка. Тепло возникает за счет электрического тока, генерируемого в нагревательном теле переменным магнитным полем. Индуктор в печах малой и средней мощности питается обычно током повышенной частоты, так как количество тепла, которое выделяется в нагреваемом теле, прямо пропорционально квадрату частоты изменения магнитного поля. Для этого электрический ток со стандартной частотой 50 Гц трансформируют в ток частотой 500—10000 Гц. Тепло выделяется в самом нагреваемом теле без какого-либо промежуточного теплоносителя. Генерируемый ток и, следовательно, тепло возникают вблизи поверхности нагреваемого тела. Условно глубину проникновения магнитного потока или толщину слоя, в котором происходит выделение тепла, можно определить по уравнению d = 5030 [/(mf)1/2, (5.18) где d — глубина проникновения, см; — электросопротивление шихты, Ом*см; m— магнитная проницаемость шихты, Гн/м f — частота тока, Гц. В действительности четкая внутренняя граница слоя, в котором выделяется тепло, отсутствует; магнитный поток уменьшается в направлении от поверхности к центру нагреваемого тела очень резко, но без каких-либо скачков, если не изменяется структура вещества. Строго говоря, формула (5.18) определяет глубину, на которой плотность тока в е раз меньше, чем на поверхности. В слое толщиной 5 выделяется около 90 % всего тепла.

Электродуговой нагрев

Электродуговой нагрев металлов и соединений осуществляется за счет тепла, которое выделяется в электрической дуге, горящей между электродами (в установках для плазменного нагрева и для испытаний ВТМ), или между электродом и нагреваемым телом (в вакуумных электродуговых печах с металлическим электродом). Электрическая дуга, горящая между металлическими электродами, имеет минимальную устойчивость при давлении от 3999 до 266 Па. Но, как показали исследования, устойчивость дуги в вакууме (вплоть до высокого вакуума) при плотности тока более 60 А/см2 вновь возрастает. Такой тип электрического разряда был назван «вакуумной электрической дугой» потому, что, как показано в табл. 3.6, он отличается по некоторым характеристикам как от дугового разряда в газе при атмосферном давлении, так и от тлеющего разряда и занимает как бы промежуточное положение между ними. Важно отметить, что по количеству выделяемого тепла и эффективности его использования для плавки вакуумная дуга превосходит дугу при атмосферном давлении. Устойчивость электрической дуги зависит от количества ионизированных частиц в ее столбе или, другими словами, от соотношения скоростей возникновения ионизированных частиц в столбе и удаления из него. Процесс ионизации начинается за счет термоэмиссии электронов с поверхности катода, температура которого повышается в результате, например, короткого Таблица 5.1. Сравнительные характеристики тлеющего разряда и дугового разряда в вакууме при атмосферном давлении

замыкания при соприкосновении электродов. Электроды ионизируют частицы, находящиеся в межэлектродном пространстве, при их соударении в том случае, когда кинетическая энергия электронов оказывается больше работы ионизации, т.е. когда (5. 19) где m,v, e— соответственно масса, скорость и заряд электрона; w — потенциал ионизации. Ионизация атомов или молекул в результате соударения имеет большое значение в начальный период горения дуги. В дальнейшем основную роль в процессе ионизации приобретает термическая ионизация. Степень ионизации х (отношение числа ионизированных молекул или атомов к их числу до ионизации дс в единице объема) описывается уравнением Саха — Грановского: (5.20) где Р — давление, мм рт.ст.; gq , gp — квантовые статические массы соответственно молекул и ионов; Т — температура, К. Согласно уравнению (5.20) степень ионизации резко увеличивается с уменьшением потенциала ионизации; например, 10%-ная ионизация паров калия, потенциал ионизации которого составляет 4,33 В, достигается при 5000 °С (для такой же степени ионизации кислорода или азота требуется температура в 12000 °С). Таким образом, как ионизация за счет соударения, так и термическая ионизация частиц, находящихся в межэлектродном промежутке, зависят от потенциала ионизации: чем он меньше, тем легче протекает процесс, больше образуется ионизированных частиц в объеме дуги и тем устойчивее оказывается дуговой разряд. Таблица 5.2. Наименьшие потенциалы ионизации металлов и газов, и работа выхода некоторых элементов при дуговой плавки

Наименьший потенциал ионизации или потенциал первой ионизации некоторых металлов и газов, с которыми приходится встречаться при дуговой плавке, приведены в табл. 5.2. Электрически заряженные частицы, образовавшиеся в результате процесса ионизации, покидают столб плазмы, диффундируя через его границы в окружающее пространство, а также нейтрализуются при соударении друг с другом противоположно заряженных частиц. Последний процесс называется рекомбинацией, которая протекает с выделением тепла. Скорость диффузии частиц через цилиндрическую поверхность столба дуги (5.21) где D— коэффициент диффузии (— длина свободного пробега, средняя скорость частиц); С — концентрация; — радиус столба дуги. Вакуумная дуга при прочих равных условиях имеет значительно большее поперечное сечение столба, чем дуга при атмосферном давлении, поэтому скорость рассеивания ионизированных частиц за счет диффузии, обратно пропорциональная квадрату радиуса, оказывается для нее очень малой. Скорость рекомбинации ионов с противоположными зарядами (5.22) где С- и С + — концентрация ионов с отрицательным и положительным электрическим зарядом; — коэффициент рекомбинации, который уменьшается с ростом температуры и равен примерно 10 -10. Электрическое сопротивление между электродами, т. е. столба дуги, представляющего собой холодную плазму, невелико. Обычно с ростом силы тока степень ионизации плазмы возрастает, ее проводимость увеличивается и напряжение между электродами падает. В этом случае дуга имеет падающую вольтамперную характеристику. Но для вакуумной дуги с металлическими электродами наблюдается возрастающая вольтамперная характеристика, причем для титана и стали она возрастает слабо, а для молибдена и ниобия резко. В современных дуговых печах используется постоянный ток прямой полярности, т.е. когда электрод служит катодом, а ванна расплавленного металла — анодом. При такой полярности ванна жидкого металла получает тепло в результате электронной бомбардировки. Падение напряжения в электрической дуге ил складывается из катодного и анодного падения напряжения, а также падения напряжения в столбе дуги. Для вакуумной дуги анодное падение напряжения очень мало — около 1 В. Тогда Ua= UK + Ua + R I Д (5.23) где UK — катодное падение напряжения (UK = UK° + 14dэ — катодное падение напряжения, не зависящее от размера электрода, или минимальное катодное падение напряжения), В; Ua — анодное падение напряжения, В; R — электросопротивление дуги, Ом; / — сила тока дуги, А. Для определения величины сопротивления А. Д. Свенчанский и М. Я. Смелянский рекомендуют выражение R = K l Д /d э (5.24) где К — эмпирический коэффициент (равен 2 • 10 -3 для стали, 4 • 10 -3 для титана и 5,5 • 10-3 для молибдена); /д — длина дуги, м; d3 — диаметр электрода, м. Значения минимального катодного падения напряжения приведены ниже: Элемент V Mo Zr Fe (сталь) Ti Ni Uk 0, В 15,6 17,6 18,0 19,0 19,4 26,4 При стационарном состоянии мощность, которая подводится к электрической дуге, должна полностью отводиться от нее. Таким образом, общая мощность дуги wk — £/л/д складывается из мощности, которая выделяется на катоде, на аноде и в столбе дуги. А. Д. Свенчанский и М. Я. Смелянский проанализировали электрические и тепловые явления, происходящие в вакуумной дуге, и показали, что мощность, выделяющуюся на катоде, можно рассчитать по уравнению Wk = Fi Iд Uk + Fi IД (w I — w 0) + Kг Ест l Д IД где Fi — отношение ионного тока к току дуги (I l / IД) зависящее только от природы металла электрода; w 0 — работа выхода, В; Ест — градиент напряжения в столбе дуги, В/см; K г — коэффициент, определяющий потери энергии столба дуги за счет излучения. Величина коэффициента Кг зависит от размеров и формы рабочей зоны печи: для печей с расходуемым электродом при плавке в глубоком тигле Кг « — 0,5, а при плавке в кристаллизаторе с вытягиванием слитка Kt = 0,3 — 0,35. Часть мощности, выделяющейся на катоде, превращается в тепло: W К.Т. = WK – WЭ (5.26) где WЭ — мощность, затрачиваемая на эмиссию электронов (Wэ = Fe I Д w0; Fe = Ie / Iд — отношение силы электронного тока к силе тока дуги). Отношение WКТ/WД сохраняется практически постоянным для каждого металла, независимо от силы тока. Так, для стали это отношение равно 0,485; для молибдена 0,6 и для вольфрама 0,25- 0,30. nike air max blanc На аноде выделяется тепло главным образом за счет его бомбардировки электронами: Wа.т = Iд [Ua +w 0 +w е + (1 –K Т ) Е СТ I Д ], (5-27> где w е — потенциал, характеризующий энергию теплового движения электронов, Тепло, выделяемое столбом дуги, определяют на основании баланса энергии (в единицу времени): Fe I ДUk + EстlДIД = IД (5.28) где Fe I ДUk — энергия электронов, ускоренных в околокатодной области; EстlДIД — энергия, выделяющаяся в столбе дуги (в результате наличия в ней градиента напряжения, удаляется благодаря излучению); Iд — энергия теплового движения электронов; FiIД — энергия ионизации паров металла. Количество тепловой энергии, выделяемой столбом дуги, весьма невелико, и можно считать, что WДТ = W KT + W АТ . Предположив, что металл полностью расплавляется на катоде (расходуемый электрод) со скоростью плавки v (кг/мин) и что для этого требуется количество тепла Q = 60у[ст(/пл — /») + еж(‘к — tm) + L] кДж/ч, (5.30) где ст и сж — средняя удельная теплоемкость твердого и жидкого металла в интервале температур /пл — /0 и /к — гпл, кДж/(кг • К); /», 1Ш, /к — температура металла соответственно исходная, плавления и на поверхности катода, °С; L — скрытая теплота плавления, кДж/кг, можно из теплового баланса катода получить расчетную формулу мощности дуги: р — кт 860 (5 860- 240стш где с0, с, — удельная теплоемкость металла при О °С, изменение удельной теплоемкости, кДж/(кг-К); с0, епр — коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела и приведенный; Пэл и 5 — периметр и площадь поперечного сечения электрода; X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К). С помощью полученного выше отношения И^/И^ определяют мощность дуги, обеспечивающую плавление данного металла с заданной скоростью. Электродуговой вакуумный нагрев в установках с расходуемым электродом обеспечивает проведение плавки металлов в исключительно чистых условиях: источники загрязнения металла посторонними примесями принципиально отсутствуют. С помощью этого метода нагрева может быть достигнута температура, достаточная для плавления наиболее тугоплавких веществ. Электродуговой нагрев можно использовать как в вакууме, так и в газовой атмосфере под нормальным или повышенным давлением, например в случае выплавки сплавов с легколетучими компонентами или при плавке соединений, разлагающихся во время нагрева и плавления в вакууме. К недостаткам электродуговой плавки с расходуемым электродом следует отнести, во-первых, особые требования к шихте и, во-вторых, ограничения в отношении регулирования мощности. Освоение электродугового метода нагрева в вакууме позволило перейти к промышленному производству слитков из тугоплавких металлов и сплавов. Вакуумные установки с электродуговым нагревом получили особенно широкое распространение для выплавки слитков и получения отливок из титана и сплавов на его основе. В производстве электродуговой метод нагрева используется в установках, предназначенных для переплавки тугоплавких металлов, получения плавленых карбидов, отливок из титана, ниобия и молибдена. Электродуговой нагрев используется для образования плазмы в плазменных печах и высокотемпературного газового потока в установках для испытаний ВТМ и СВТКМ.

Электронный нагрев

Электронный нагрев вещества происходит при торможении в нем потока быстролетящих электронов. Электроны разгоняются до высокой скорости в электрическом поле, которое создается между катодом и нагреваемым телом, служащим в этом случае анодом, или между катодом и анодом, удаленным от нагреваемого тела. По этому признаку установки для электронного нагрева подразделяют на две группы: электронные с кольцевым катодом и электронно-лучевые с электронной пушкой. Существует еще группа электронных установок — промежуточная между этими двумя. В них используется кольцевой катод и кольцевой анод, удаленный от нагреваемого тела (радиальная пушка). Установки второй группы находят преимущественное применение в промышленности. Электроны поступают в разгоняющее электрическое поле в результате термоэмиссии из нагреваемого катода. Плотность эмиссионного тока зависит главным образом от температуры поверхности катода и величины работы выхода электрона из материала катода. Максимальная плотность тока эмиссии, А/см2, определяется по уравнению Ричардсона — Дешмана: Jmax =CT2 , где Т – абсолютная температура, К; С – эмиссионная постоянная (С= 120 А см-2град2)) = 4ыпе — = 120 А • см 2 • град2). adidas gazelle femme (Cм . с. 103 …104, 105 Костиков В.И. Вареников А.И. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы. –М.: «Интермет инжиниринг»)

Плазменный нагрев

Плазменный нагрев осуществляется за счет тепла, выделяющегося в плазменной струе главным образом в результате процесса деионизаиии. Если не считать теплового движения молекул нагретого газа (в случае плазмы газов), процесс деионизации представляет единственный источник тепла. Когда плазма образуется из двух- или многоатомных газов, то появляется дополнительный источник тепла — тепло диссоциации. Обычно в установках для плазменного нагрева применяют инертные одноатомные газы (аргон и гелий), а также двухатомные газы (кислород, азот и водород). Чаще используют не чистые газы, а их смеси, что позволяет регулировать окислительно-восстановительные свойства газовой среды, уменьшать разрушающее действие некоторых чистых газов, например водорода или кислорода, на детали плазмотронов и улучшать тепловые характеристики плазменной струи. Температура — один из основных параметров плазмы, характеризует тепловую энергию ее частиц. Но чтобы использовать этот параметр, надо быть уверенным, что газовая плазма находится в состоянии термодинамического равновесия. В таких условиях распределение энергии между частицами определяется плавной максвелловской функцией. По мере повышения температуры, разреженности и степени ионизации плазмы условия ее существования все более отличаются от равновесных и применение термодинамики для ее описания становится уже необоснованным. Обмен энергией между атомами и ионами, незначительно отличающимися друг от друга по массе, происходит сравнительно легко, но электрону с его чрезвычайно малой массой освободиться от избыточной энергии значительно труднее. Однако между собой электроны достаточно быстро обмениваются энергией. Плазму можно рассматривать как смесь двух газов — электронного и ионного; каждый из них находится в состоянии равновесия, но между ними равновесия не достигается. В плазме различают две температуры: Тг — электронную и Г — ионную, первая может значительно превосходить вторую. Плазма, образующаяся в плазмотронах нагревательных установок, относится к первому виду, т. е. плотной, сравнительно малоионизированной, термодинамически равновесной плазме, в которой Те близка к Т. Температура плазменной струи резко отличается как по длине струи, так и по ее диаметру. Наиболее высокая температура, достигающая в современных плазмотронах несколько десятков тысяч градусов, развивается вблизи источника ионизации. Эта зона, величина которой зависит от мощности источника ионизации, природы и скорости подачи плазмообразующего газа, распространяется на 1-2 см от выхода плазменной струи из сопла плазмотрона. Общая длина плазменной струи может достигать 10—15 см и даже больше в зависимости от скорости истечения плазмы из сопла. Среднемассовую температуру плазменной струи дугового плазмотрона можно рассчитать по уравнению, предложенному А. В. Николаевым и И. Д. Кулагиным: где E — градиент напряжения в столбе дуги; /д — сила тока дуги; d — диаметр сопла; a— коэффициент теплоотдачи поверхности струи, Вт/(м2-К); ср — теплоемкость газа, Дж/(кг • К); lд — длина дуги; v — расход плазмообразую-щего газа. Если считать, что теплоемкость не зависит от температуры, то внутренняя энергия плазмы будет определяться уравнением U = (cnT +U0) — , (5.40) где (cvT + U0) — внутренняя энергия идеального газа; N — число электронов с зарядом — е или число ионов с зарядом +е; kT— средняя энергия теплового движения частиц; k — постоянная Больцмана. Уравнение (5.40) применимо, строго говоря, лишь к полностью ионизированной плазме, которая близка по свойствам к идеальному газу. Показателем, позволяющим оценить степень идеальности плазмы, является отношение электростатической энергии к средней температуре: (5.41) где ) — число заряда ионов, близкое к среднему; п — концентрация частиц в 1 см3 или отношение плотности плазмы к температуре Тср. Это отношение для плазмы, близкой к идеальному газу, должно быть заметно меньше единицы, т. е. « 1. (5.42) Таким образом, плотность плазмы или ее давление и температура определяют степень ее идеальности. Чем выше температура, тем при более высоких значениях плотности плазма сохраняет свойства идеального газа. Для «холодной», например водородной, плазмы ( z~ 1) со среднемассовой температурой около 10000 К давление, выше которого плазма теряет свойства идеального газа, составляет несколько мм рт. ст. Когда плазма имеет энергию в несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,60219 • 10 -19Дж), предельное давление может достигать нескольких атмосфер. Отсюда следует, что в плазмотронах нагревательных установок, где температура плазмы обычно не превышает 20000 К, а давление плазмы близко к атмосферному, условия, позволяющие применять законы идеальных газов, встречаются редко. Однако если плазменная струя вдувается в вакуумную камеру нагревательной установки, плотность плазмы может оказаться ниже предельной. Наиболее распространенным средством для ионизации газа в плазмотронах нагревательных установок считается электродуговой или высокочастотный разряд. Если в пространстве между электродами или внутри высокочастотного индуктора плазма находится в стационарном и равновесном состоянии, то в плазменной струе проходят необратимые процессы рекомбинации и соединения диссоциированных частиц. Эти процессы протекают с выделением тепла, равного тому теплу, которое было затрачено на иониза цию и диссоциацию. Если мощность дугового разряда W= Iд Uд, (5.43) где IД — ток дуги, A; UД — напряжение дуги, В, полностью тратится на образование плазмы, то можно считать, что в плазменной струе за время т выделится тепла Q = 0,24 Iд Uд t, (5.44) а усвоится нагреваемым теплом Qn = 0,24 Iд Uд th. (5.45) Коэффициент h в этом уравнении называют эффективным к.п.д. плазменного нагрева. chaussure adidas zx flux Его величина зависит от конструкции плазмотрона, расстояния между источником ионизации и нагреваемым телом, вида нагреваемого тела и других конкретных условий нагрева. В плазменных нагревательных установках г\ составляет обычно 0,2—0,6, т. е. он заметно ниже, чем тепловой к.п.д. электродуговых или электронных установок. Плазмотроны для образования плазменной струи различают по виду электрического разряда для ионизации плазмообразуюшего газа. Наиболее просты и надежны в эксплуатации электродуговые плазмотроны. Газ подается в зону горения электрической дуги, где он нагревается, ионизируется и с большой скоростью выходит из плазмотрона через сопло. goedkoop nike air max 2017 В дуговых плазмотронах используется постоянный ток, так как дуга постоянного тока более устойчивая. Однако попытки создания плазмотрона, работающего на переменном токе промышленной частоты, не прекращаются. Различают несколько типов плазмотронов: плазмотроны с независимой дугой (зона дугового разряда находится целиком внутри него); плазмотроны с полностью или частично зависимой дугой (дуговой разряд достигает поверхности нагреваемого тела); плазмотроны с короткой дугой, питающиеся большим током при напряжении в несколько десятков вольт; плазмотроны с длинной дугой (образуется током с напряжением в несколько тысяч вольт). Плазмотроны классифицируют также по способу стабилизации и сжатия лектрической дуги, подачи нагреваемого материала, по сопротивлению анода разрушению и по назначению. В промышленности и научно-исследовательской практике чаще встречаются плазмотроны с короткой, независимой дугой, как более универсальные, хотя зависимая дуга, горящая между электродом плазмотрона и нагреваемым телом, передает ему больше тепла. Плазмотроны с зависимой дугой применяются в установках, специально предназначенных для плавления материалов. Недостатком дуговых плазмотронов является загрязнение плазменной струи парами материала электрода. Обычно электрод-катод изготавливают из чистого вольфрама или вольфрама, содержащего торий, а анод представляет собой сопло из водоохлаждаемой меди. В этом случае плазменная струя содержит пары вольфрама, что может иногда оказаться вредным. Образование чистой плазмы, не содержащей посторонних примесей, возможно в высокочастотных плазмотронах, где ионизация газа происходит в электромагнитном поле с частотой в несколько сотен килогерц и выше. Для возникновения ионизации в высокочастотное поле вводят металлический или графитовый стержень, вокруг которого возникает зона ионизации. После того как она станет устойчивой, стержень удаляют, и плазма образуется без его участия. Взвешенная внутри индуктора зона ионизации весьма чувствительна к изменениям параметров плазмотрона: увеличение или уменьшение мощности или скорости подачи плазмообразующего газа может привести к прекращению ионизации. Несмотря на это, известны высокочастотные плазмотроны мощностью в 100 кВт и выше. В производстве ВТМ и СВТКМ плазменный нагрев широко применяется для нанесения покрытий из тугоплавких веществ. К существенным его достоинствам относят высокую температуру и скорость плазменной струи, а также возможность проведения процессов в любой атмосфере. Плазменный метод нагрева используется также для получения порошка из тугоплавких металлов и соединений, для сфероидизации порошков, для резки и сварки металлов. Особое значение имеет использование плазменной струи в установках для огневых испытаний ВТМ и СВТКМ. В таких установках достигаются очень высокие температуры и скорости газовой струи; легко и в широких пределах изменяется состав струи, вплоть до введения в нее твердых или жидких частиц. Тепловая мощность испытательных плазменных установок может достигать сотен мегаватт. Плазменный нагрев с успехом используется для плавления стали, жаропрочных сплавов, хрома. Однако целесообразность его применения для плавления тугоплавких металлов находится под сомнением. Вероятно, плазменный метод нагрева может найти применение для плавления сплавов тугоплавких металлов с легколетучими компонентами, а также в литейных печах и в печах, предназначенных для утилизации скрапа тугоплавких металлов. Плазменный метод нагрева сможет найти применение для плавления тугоплавких соединений, особенно тех, которые не проводят электрический ток.

7.4. Плазменные установки для высокотемпературного нагрева газа в потоке. Промышленные струйные плазмотроны

Высокотемпературный нагрев; газа в потоке электрической дугой в струйных плазмотронах открывает широкие возможности в разработке новых технологических процессов и высокотемпературных методов исследования и испытания на моделях материалов и конструкций,, подверженных в реальных условиях действию высокотемпературных скоростных потоков ионизированного газа. Вопросы испытания и исследования материалов и конструкций в потоке плазмы, нашедших сегодня применение при теплофизиче-ских, космических и аэродинамических разработках, не относятся к задачам данного курса. Одним из важнейших промышленных технологических применений струйных плазмотронов является прикладная плазмохимия. Промышленная реализация химических процессов в высокотемпературном потоке ионизированного газа перспективна, если связанные с ними химические реакции имеют смещение равновесия в сторону высоких температур и резкое возрастание скоростей с повышением температур, что позволяет в некоторых случаях уменьшить время контакта реагентов до 10~3—10~5с, а следовательно, резко увеличить производительность процесса и уменьшить габариты технологического оборудования. Плазмохимиче-ские процессы при сравнительно — Рис. 7.20. Схема плазмохимической установки. / — плазмотрон; 2 — химический реактор; 3 — закалочное устройство: А—ввод теплоносителя; Б — плазма; В — сырье; Г —промежуточный продукт; Д — продукт. высоких давлениях газовой фазы требуют фиксации получаемого продукта при переходе к нормальным условиям путем быстрого охлаждения (закалки) со скоростью 108— I09 К/с. Это требование к плазмохимической установке обусловлено двумя причинами. Во-первых, существуют реакции, дающие при высоких температурах последовательную цепь продуктов, и только некоторые из них необходимо выделить по ходу процесса. Во-вторых, существуют реакции, продукт которых устойчив только при нормальных условиях. Таким образом, плазмо-химическая установка в качестве обязательных элементов содержит (рис. 7.20) струйный плазмотрон, химический реактор и закалочное устройство. Из приведенных на рис. 7.8 типов струйных плазмотронов для промышленного применения в плаз-мохимии и в установках ‘плазменного восстановления металлов может быть рекомендован плазмотрон -с межэлектродными вставками (МЭВ)—тип 5, обеспечивающий ‘стабильное горение дуги неизменной длины, высокие рабочие напряжения и мощности, незначительные флуктуации термодинамических характеристик теплоносителя и высокий тепловой к. п. д. Конструкция промышленного струйного плазмотрона с МЭВ типа ЭДП-119 [43] мощностью 500 кВ-А приведена на рис. 7.21. Плазмотрон предназначен для нагрева воздуха и азота до температуры 6000 К, водорода и смеси водорода с метаном—до температуры 4000 К при тепловом к. п. д. 60—80%. На рис. adidas femme pas cher 7.22 приведены вольт-ам’перные характеристики плазмотрона для номинальных расходов газа. Максимальный ток плазмотрона равен 800 А, максимальное напряжение—1600 В. Охлаждение плазмотрона водяное, расход воды 2,0 кг/с, минимальное давление воды на входе 1 МПа. Ресурс работы катода составляет 100 ч, ресурс работы анода 300 ч. Габаритная длина плазмотрона 0,8 м, масса до 40 кг. Катод плазмотрона / (рис. 7.21) выполнен из торированного или лантаннрованного вольфрама, заделанного заподлицо в медный водо-охлаждаемый электрододержатель. Анод 2 — медный, водоохлаждае-мый, с магнитным вращением анодного пятна дуги. Рис. 7.21. Струйный плазмотрон типа ЭДП-119. / — катод: 2 — анод; 3 — вставки; 4 — поджигающая секция; S —узел При плазмнном нагреве газа действуют только каналы, обеспечивающие передачу энергии от плазмы столба к нагреваемому газу: 1-теплопроводностью; 2 — конвенцией и 3 — частично излучением. Электронный газ в единице объема в единицу времени получает от электрического поля напряженностью Е в плазме столба энергию We = enevE, которая преобразуется в кинетическую энергию электрона — скорость дрейфа электронов вдоль силовых линий поля напряженностью Е. Если ввести понятие коэффициента подвижности электронов b е, то ve=beE. (7.25) Кинетическая энергия электронов в свою очередь передается при cтолкновениях тяжелым компонентам плазмы — атомам или ионам, преобразуясь либо в кинетическую энергию теплового движения атомов и ионов, характеризуемую температурой Та и Ti, либо в потенциальную энергию возбужденных ими ионизированных атомов, которые спонтанно или в результате процессов столкновения девозбуждаютея («гасятся») или рекомбинируют, излучая энергию в линиях или континууме спектра. При нагреве газа в плазменных ЭТУ тепло от плазмы столба сильноточного разряда передается изделию теплопроводностью, конвекцией и частично излучением. В плазменных плавильных ЭТУ при нагреве металла-анода перенос тепла к изделию определяется теплопроводностью, конвекцией, излучением и непосредственной передачей аноду кинетической С7-26) и потенциальной энергий электронов еcли электроны проникают в материал анода через поверхность. В плазменных ЭТУ для нагрева газа в потоке как теплоносителя в электротехнологической установке, основной цепочкой, определяющей эффективность преобразования и направленность переноса энергии, является следующая последовательность процессов в плазме столба сильноточного разряда: энергия электрического поля кинетическая энергия электронного компонента -упругие столкновения электронов плазмы с атомами и ионами теплопередача ояжелого компонента плазмы в зоне проводимости столба теплоносителю. Неупругие столкновения электронов и связанное с ними излучение плазмы определяют в основном непроизводительный расход энергии ввиду прозрачности нагреваемого газа — изделия. В плазменных ЭТУ для нагрева и плавки металла-анода ход преобразования энергии и теплопередача будут определяться следующей последовательностью процессов: энергия электрического поля-нкинети-ческая энергия электронов плазмы столба Ц^А-^упругие столкновения электронов плазмы с атомами и ионами теплопередача от тяжелого компонента плазмы теплоносителю в зоне проводимости столба-»-тепло-обмен между теплоносителем и поверхностью металла-анода. Кроме того, изделию будет непосредственно передаваться кинетическая энергия Web и потенциальная энергия Wep электронного компонента плазмы. Прямая передача тепла изделию излучением в плавильных плазменных ЭТУ отличается слабой направленностью и поэтому неэффективна. Роль излучения при нагреве металла-анода в плазменных плавильных ЭТУ может быть повышена только благодаря применению третьего замкнутого излучающего тела, например керамической футеровки. В результате с учетом (7.2), (7.3), (7.23) уравнение энергетического баланса для электронов единичного объема плазмы столба сильноточного разряда можно записать в виде ene veE = qизл + 3/2 к(Те – Ть) (7.28) или qизл + 3/2 к(Те – Ть) (7,29) здесь a — удельная электрическая проводимость плазмы; nэфф — эффективная частота упругих столкновений электронов с тяжелым компонентом плазмы: nэфф = v eQ ст,n (7.30) где Q ст—сечение упругого столкновения электронов с тяжелым компонентом плазмы: пт — концентрация тяжелого компонента плазмы; у>е— средняя тепловая скорость электронов. Значение г\ определяется по (7.1). Из (7.28) следует, что основной особенностью плазмы сильноточного разряда при интенсивных тепловых потоках в плазменных ЭТУ является обязательное постоянное превышение температуры электронов Те над температурой тяжелого компонента плазмы Тт=Та = Т{. Так как имеет место постоянный уход энергии из столба, плазма сильноточного разряда в любом случае не находится в тепловом (Те Тт) и термодинамическом равновесии. Степень отклонения от равновесия зависит, как следует из (7.28), от напряженности электрического поля Е и концентрации компонентов плазмы, т. louboutin femme е. от степени ионизации и давления газа в зоне разряда. В значительной степени нарушению равновесия способствует излучение плазмы, если она является прозрачной для излучения. Таким образом, с уменьшением давления будет возрастать отличие не только в температуре электронов и тяжелого компонента, но и появляется различие в температуре невозбужденных атомов Та, возбужденных атомов Гв и ионовTf. На рис. 7.6 показана полученная экспериментально зависимость температур отдельных компонентов плазмы от ее плотности для свободно горящей дуги при атмосферном давлении в смеси аргона с небольшим количеством водорода. ( см. Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева. Под ред. А. Д. Свенчанского. –М.: Энергоиздат.1981) Рис. 7,6. Зависимость температур отдельных компонентов плазмы от ее плотности Только при давлениях газа, близких к 104—105 Па, можно считать в сильноточном разряде плазму равновесной, т. е. Те = Т{ = Ть = Тя. Расчет электрических характеристик струйных плазмотронов при проектировании .плазмохимических и плазменных металлургических установок необходим для выбора и расчета параметров технологического и электрического оборудования. Устойчивость и эффективность работы плазменной технологической установки в значительной мере зависят от правильного выбора номинального рабочего режима плазмотрона. Электрический режим или характеристики проводимости дуги в струйном плазмотроне зависят от ряда взаимосвязанных различных по природе процессов переноса в плазме столба дуги, продольно обдуваемой интенсивным потоком газа. Скорость течения и массовый расход теплоносителя в промышленных плазмотронах столь велики, что критерий Рейнольдса Re для течения газа в канале плазмотрона превосходит 104. Вследствие этого течение теплоносителя имеет характер развитой WO Zffff 300 Vffff SPD £00 Л Рис. 7.22. Вольт-амперные характеристики плазмотрона типа ЭДП-119. / —H 2 + CH4 (91.8:8,2%), расход 280 м3/ч; 2 —H2, расход 7 • 10 -3 кг/с; 3 — воздух, расход 25 • 10 3 кг/с. турбулентности. Экспериментальные исследования газодинамических характеристик струйных плазмотронов позволили установить, что одновременно с развитым турбулентным течением теплоносителя в канале плазмотрона в зоне проводимости плазменного столба дуги течение газа является ламинарным, и характер течения теплоносителя меняется по длине канала плазмотрона. На входе в канал течение может быть ламинарными, но затем оно сравнительно плавно меняет свой характер, переходя в турбулентный режим. Поэтому турбулентный характер и гидродинамическая неустойчивость процессов переноса в канале плазмотрона, наличие значительных перепадов температур, нелинейные свойства процесса проводимости дуги исключают возможность аналитического расчета электрических и тепловых характеристик струйного плазмотрона. Наиболее распространенным методом исследования и расчета электрических, в частности, вольт-амперных характеристик дуги струйного плазмотрона является метод обобщения экспериментальных данных на основе теории подобия процессов переноса в канале дугового струйного плазмотрона. Вольт-амперная характеристика струйного плазмотрона в критериальной форме, устанавливающая связь напряжения дуги U, тока дуги /, расхода газа-теплоносителя G, диаметра дугового канала d и давления газа р может быть представлена: W: (7-44) здесь А,— постоянные величины, определяемые из эксперимента. Струйный однокамерный плазмотрон, выполненный по схеме на рис. 7.8а, имеет при работе на водороде вольт-амперные характеристики следующего вида: 7-45 здесь U — напряжение, В; / — ток дуги, А; G — расход водорода, кг/с; р — давление водорода в канале, Па. Плазмотрон со ступенчатым выходным электродом для воздуха имеет обобщенную вольт-амперную характеристику вида / U = 4,55 (1+4,6* 10 -5 ; здесь U — напряжение, В; d — диаметр основного канала, м; / — длина выходного электрода (суммарная), м. Рис. 7.8. Схемы плазмотронов с продольной обдуваемой дугой. (см. с.242) а — однокамерный плазмотрон; б—плазмотрон с межэлектродными вставками; в — плазмотрон с пористой вставкой; е — плазмотрон с уступом канала; /, 2 — электроды; 3 — пористая вставка; 4 — дуга; S — подвод газа; 6 — выход нагретого газа; 7 — вставные секции. Расчет вольт-амперных характеристик стационарной цилиндрической дуги. Цилиндрической называется дуга, в столбе которой можно пренебречь изменением параметров плазмы по длине. Это условие простейшей физической модели дуги соблюдается только в дуге, стабилизированной стенкой цилиндрического канала, в котором отсутствует конвективный перенос тепла. Уравнение энергии стационарной цилиндрической дуги в дифференциальной форме записи имеет вид: qизл — здесь — удельная электрическая проводимость и коэффициент теплопроводности плазмы столба дуги; qизл — удельная объемная мощность излучения плазмы столба. Если для плазмотрона атмосферного давления в первом приближении пренебречь излучением плазмы столба в сравнении с потерями тепла в результате теплопроводности плазмы в объеме канала плазмотрона, то уравнение энергии цилиндрической дуги принимает вид: (7.48) Введем функцию S= noлучившую название функции теплопроводности, и аппроксимируем зависимость двумя отрезками (рис. 7.23): а) s = 0 при 0<S<S 1; б) s = B(S-S,) при S 1<S<S0; (7.49* здесь S0 — значение функции теплопроводности при T= T0 (Т0 — температура на оси дуги). Введем промежуточный параметр х = rЕВ1/2. Тогда уравнение энергии цилиндрической дуги (7.48 1 в пределах зоны проводимости получит вид: (7.50 s, s Рис. 7.23. Аппроксимация функции s (S). и имеет решением функцию Бесселя (7.51) На границе xi = гэл EB1/2 зоны проводимости (т. е. при S1<S<S0) функция Бесселя имеет первый нуль. Поэтому можно записать: x 1= r эл EB1/2 = 2,405. Air Max 95 (7.52) В пределах зоны потерь дуги 0<S< S1 уравнение энергии (7.48) имеет вид: (7.53) Интегрируя (7,53) с учетом граничного условия (7.52), имеем: -1,25(S0-S1). (7.54) Второе интегрирование дает: S – S 1 = -I,25 (S0 –S1)ln (7.55) *i Если принять на стенке канала S=0, то из (7.55) следует: ERB1/2= 2,405 ехр (7.56) Если принять, что весь ток дуги I протекает в зоне проводимости цилиндрической модели, то в соответствии с законом Ома имеем: PД= IElд 2,5(So-S1). (7.58) Подставляя (7.58) в уравнение (7.56), имеем: UД = (7-59) Задавая длину и мощность дуги, в соответствии с (7.59) для заданного рода газа и радиуса канала R можно рассчитать напряжение дуги Uд и соответственно ток дуги I=РД/UД. nike air max 95 (7.60) В соответствии с (7.51) и (7.55) можно рассчитать такжераспределение температуры T (r) для заданных условий. [Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева. Под ред. А. Д. Свенчанского.