УСТОЙЧИВЫЕ И КРИТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ТЕПЛОМАССООБМЕНА И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ ВОЛЬФРАМОВОГО ПРОВОДНИКА

3. УСТОЙЧИВЫЕ И КРИТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ТЕПЛОМАССООБМЕНА И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ ВОЛЬФРАМОВОГО ПРОВОДНИКА.

Изучим стационарные режимы вольфрамовой проволочки, нагреваемой электрическим током и находящейся в газовой смеси, содержащей окислитель.

Запишем условие стационарности, определяемое равенством тепловых потоков, нагревающих проволочку и охлаждающих ее. В стационарном режиме температура проволочки со временем не меняется .

Тогда уравнение теплового баланса:

. (3.1)

С учетом (2.5) – (2.12) из (3.1) найдем зависимость силы тока, определяющей устойчивые и критические состояния проволочки, от ее стационарной температуры:

(3.2)

где h₀ – начальная толщина оксидной пленки, м.

Уравнение (3.2) определяет устойчивые и критические высоко- и низкотемпературные режимы тепломассообмена и окисления проволочки с заданной начальной толщиной окисла h₀ при различных интенсивностях ее нагрева электрическим током.

Проведем анализ зависимости Т(I), рассчитанной по формуле (3.2) для вольфрамовой проволочки d=70 мкм, L=10 см при начальной толщине оксидной пленки h₀=0.4 мкм (рис.3.1). Экстремумы на кривой T(I) характеризуют критические режимы зажигания проволочки (т.i-максимум) и потухания (т.e –минимум) при соответственно критических значениях силы тока I_i и I_e.

Кривая до т.i определяет низкотемпературные устойчивые стационарные режимы – окисление, кривая после т.e – устойчивые высокотемпературные режимы - горение. При повышении силы тока в низкотемпературном режиме происходит монотонный рост температуры проволочки, приводящей к возникновению на поверхности проволочки химической реакции окисления.

Для того, чтобы перевести проволочку с заданной начальной толщиной оксидной пленки в высокотемпературное состояние, необходимо увеличить силу тока до значения, определяемого т.i, в которой общий теплоприход к проволочке за счет джоулева и химического тепловыделения максимально превышает теплопотери в газ, к стенкам и через концы проволочки к токоподводящим проводам. Переход на высокотемпературный режим тепломассобмена происходит скачкообразно с резким увеличением температуры. Для всех значений силы тока I>I_i проволочка с заданной h₀ будет зажигаться, и переходить в устойчивое высокотемпературное состояние. Для того, чтобы перевести проволочку из высокотемпературного состояния в низкотемпературное, нужно уменьшить значение силы тока до величины I_e. Потухание проволочки является следствием максимального превышения теплопотерь над теплоприходом за счет нагрева электрическим током и тепловыделения реакции окисления. Кривая, соединяющая т. i и e определяет неустойчивые стационарные состояния, характеризующие влияние начальной температуры проволочки на критическую величину силы тока, при которой происходит переход на высокотемпературный режим тепломассобмена.

Зажигание проволочки силой тока, значение которой лежит в интервале I_e<I<I_i происходит, если ее начальная температура выше значения, лежащего на кривой, соединяющей т.i и e для соответствующего значения I. Таким образом, наблюдается гистерезисное поведение температуры проволочки в зависимости от силы тока, нагревающего ее. Область гистерезиса ограничивается критическими значениями I_i и I_e.  Эти состояния неустойчивые и определяют переходы с низкотемпературного состояния в высокотемпературное и наоборот. При значениях силы тока I<I_e зажигание проволочки невозможно ни при каких значениях ее начальной температуры.

Учет испарения окисла приводит к увеличению критического значения силы тока, характеризующего потухание проводника, и уменьшению температуры в устойчивом высокотемпературном состоянии (рис.3.1, кривая2). Рост I_e объясняется увеличением плотности химического тепловыделения при уменьшении толщины испаряющегося окисла. Следовательно, для сохранения условия стационарности силу тока нужно увеличить. Теплопотери на испарение окисла приводят к понижению температуры в режиме высокотемпературного окисления. Испарение окисла не влияет на режимы низкотемпературного тепломассообмена и критические параметры зажигания проводника, т.к. при этих температурах скорость испарения невелика.

Кружочками на рис.3.1 представлены экспериментальные данные, полученные нами для вольфрамовой проволочки тех же геометрических размеров. Наблюдается хорошее согласие экспериментальных и расчетных стационарных низкотемпературных режимов тепломассообмена. Определено критическое значение силы тока, при котором происходит скачкообразный переход в высокотемпературное состояние проводника. При достижении силой тока критического значения I_i1.03 А проволочка быстро накаляется и перегорает. Так как в центре проволочки температура максимальна (края проволочки охлаждаются за счет теплового потока к токоподводящим проводам), то ее перегорание наблюдается именно в этом месте. Происходящие на поверхности проволочки процессы плавления и испарения оксида приводят к уменьшению толщины оксидной пленки и, следовательно, к увеличению скорости химической реакции, что ведет к резкому увеличению температуры и разрушению проволочки. Зажигание проволочки происходит в кинетическом режиме . Тогда из (2.5) следует, что , т.е. q_ch не зависит от и тем меньше, чем больше h₀. При потухании наблюдается переходной режим реакции окисления . Тогда концентрация кислорода на поверхности окисляющегося проводника зависит и от скорости поступления кислорода из окружающей среды. Поэтому q_ch уменьшается как за счет роста h₀, так и в результате понижения . Следовательно, силу тока в случае потухания нужно увеличить сильнее, чем в случае зажигания.

На рис.3.2 представлены критические значения силы тока и температур вольфрамового проводника, при которых происходит его зажигание и потухание в зависимости от диаметра и толщины окисла на поверхности. Учет теплопотерь на испарение оксидной пленки приводит к повышению критических значений силы тока, при которых реализуются высокотемпературные состояния. При некотором малом диаметре проводника  и силе тока  наблюдается вырождение критических режимов зажигания и потухания (т.). В области больших диаметров проводника (2300 мкм) вырожденные режимы окисления также наблюдаются, однако, им соответствуют достаточно большие значения силы тока. С увеличением d скорость испарения уменьшается, поэтому степень влияния этого процесса на I_e и уменьшается (рис.3.2.а, б, кривые 1 и2).

Рис.3.1. Зависимость T(I) для вольфрамового проводника d=70 мкм, L=10 см, T_g=T_w=288 K:

а) h₀=0.4 мкм; 1 – без учета испарения, 2 – с учетом испарения WO₂;

Рис.3.2. Влияние диаметра проводника и толщины оксидной пленки на критические значения силы тока и температуры, характеризующие зажигание () и потухание () проводника.

а), б) h₀=0.4 мкм; 1-с учетом испарения WO₂, 2-без учета испарения WO₂;

Рис.3.3 Влияние теплообмена излучением на устойчивые и критические режимы окисления вольфрамого проводника.

 T_w=T_g=288 K, , l=10 см

а) d=70 мкм, б) d=250 мкм

1- q=0, 2 - q 

Рис.3.4 Критические режимы режимы зажигания (т. i) и потухания (т. е) вольфрамового проводника различных диаметров при нагревании его электрическим током.

L=10 см. 1- q0; 2 - q_r=0; T_w=T_g=288 K; a) Tcr (d), б) Icr (d)

Изучим влияние теплообмена излучением на устойчивые и критические режимы высокотемпературного окисления проводника, нагреваемого электрическим током .Из рис3.3.а. видно,что теплопотери к стенкам реакционной установки приводят к увеличению критических значений сил тока, характеризующих зажигание и потухание проводника. При некотором диаметре проводника (рис.3.3.б) критический режим, характеризующий потухание, исчезает. Погасить вольфрамовый проводник данного диаметра уменьшением силы тока становится невозможным.

Рис.3.4.а,б иллюстрирует влияние теплообмена излучением на критические температуры и значения силы тока , при которых происходит зажигание (Тi,Ii) и потухание (Те,Ie ) проводника. Точки 1 и 2 характеризуют вырождения критических режимов зажигания и потухания. Из рис.3.4.б следует, что в случае отсутствия теплообмена излучением существует интервал диаметров проводника, для которого невозможен переход из высокотемпературного состояния в низкотемпературное уменьшением силы тока.

Выводы.

1.Экспериментально исследованы высокотемпературные режимы тепломассообмена и окисления вольфрамового проводника, нагреваемого электрическим током. Определена стадийность в осуществлении высокотемпературных состояний : инертный нагрев проводника (1 стадия) ; высокотемпературный тепломассообмен и окисление (2 стадия); плавление и испарение окислов, перегорание проводника (3 стадия).

2.Показано, что учет испарения окисла с поверхности проводника приводит к уменьшению скорости роста толщины оксидной пленки, достижению ею максимального значения и дальнейшему уменьшению, что предшествует перегоранию проводника. Результаты расчета по физико-математической модели с учетом испарения хорошо описывают экспериментальные данные.

3.Определены критические значения силы тока, при которых происходят скачкообразные переходы с низкотемпературного режима в высокотемпературный и наоборот (зажигание и потухание) проводника. Показано ,что теплопотери на испарение окисла приводят к увеличению критического значения силы тока , характеризующего потухание и уменьшение температуры горения проводника.

4.Изучено влияние теплообмена излучением на время существования высокотемпературного режима и скорость роста толщины оксидной пленки. Показано, что с учетом теплопотерь излучением к стенкам реакционной установки увеличиваются время выхода и высокотемпературный режим.

5.Установлено, что теплопотери излучением приводят к значительному увеличению критических значений силы тока, характеризующие потухание проводника.

6.Доказано, что существует такой интервал диаметров проводника для которого перевести, находящийся в высокотемпературном состоянии, проводник в низкотемпературное состояние невозможно.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Кофстад П.А. Высокотемпературное окисление металов. – М.: Мир, 1969. 392с.

2. Кубашевский О.К., Гопкинс Б. Окисление металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1965. – 428 с.

3. Иванов В.Е. и др. Защита вольфрама от окисления при высоких температурах. – М.: Атомиздат, 1968. – 159 с.

4. Окисление металлов. /Под ред. Бенара Ж.М.: Металлургия, – 1969. – 318 с.

5.Корнилов И.И.,Глазова В.В. Взаимодействие тугоплавких металлов переходных групп с кислородом .-М.;Наука,1967.255с.

6. Герасимов Я.И., Крестовников А.Н., Шаков А.С. Химическая термодинамика в цветной металлургии. – М.: Изд–во литературы по черной и цветной металлургии, 1963. – Т.2. – С.5–29.

7. Самсонов Г.В. Физико–химические свойства окислов. Справочник. – М.: Металлургия, 1978. – 471 с.

8. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. – Л.: Химия, 1977. – 238 с.

9. Деревяга М.Е., Стесин Л.Н., Федорин Э.А. Воспламенение и горение тугоплавких металлов (Вольфрам, Молибден, Бор). //ФГВ. – 1979. – Т.15, №4. С.17–29.

10. Мержанов А.Г., Тепловая теория воспламенения частиц металлов. //Ракетная техника и космонавтика. –1975. – Т.13, - №2. С.106–112.

11. Тепло– и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. / Под ред. Григорьева В., Зорина В. – М.: Энергоиздат, – 1982. – 512 с.

12. Жукаускас А.А., Конвективный перенос в теплообменниках. – М.: Наука, 1982. – 472 с.

13. Барелко В.В., Абрамов В.Г., Мержанов А.Г. Термографический метод исследования кинетики газофазных гетерогенно–каталитических реакций. //Журнал физической химии. – 1969. – Т.XLIII, №11. – С.2828–2829.

14. Черненко Е.В., Розенбанд В.И., Барзыкин В.В., Изучение закономерностей воспламенения циркония в кислороде под давлением. //ФГВ. – 1979. – Т.15, №4. – С.66–69.

15.Харатян С.Л.,Чатилян.Закономерности тепловыделения при силицировании вольфрама в волне безгазового горения./ФГВ,т.36,N 3,2000,c.65-71.

Похожие работы

Дослідження масотеплообміну на поверхневому шарі вольфраму та оксидів вольфраму

Скачать

19962

0

7

... 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, ...