/>МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національнийуніверситет «Львівська політехніка»
Кафедра«Технології машинобудування»
Реферат
Дисципліна: Фізикаметалів
“Дослідженнямасотеплообміну на поверхневому шарі вольфраму та оксидів вольфраму”
Зміст
1 Мета роботи. Теоретичні дані
2 Визначенняоб’єкту дослідження
3 Складання математичної моделі теплообмінувольфрамового провідника
4 Результатидослідження. 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 такритичні режими запалювання і потухання вольфрамових зразків різної форми(дротики, частки) та розмірів; 2) фізико-математичне моделювання вказанихпроцесів та явищ, необхідне для вирішення прикладних задач.
Об’єктдослідження: вольфрамові зразки різної форми (сфера, циліндр), які нагріваютьсяв повітрі з різним вмістом кисню.
Предметдослідження: високотемпературне окислення і тепломасообмін металевих дротиківта часток з урахуванням випаровування оксидної плівки, випромінювання,конвекції та стефанівської течії на їх поверхні.
Методидослідження: для вивчення високотемпературного тепломасообміну і окисленняметалевих дротиків в роботі використовується електротермографічний метод таметод визначення температури за допомогою комп’ютерної обробки цифровогозображення об’єктів дослідження. В теоретичній частині роботивикористано методикомп’ютерного моделюванняфізичних процесів ззастосуванням системи символьноїматематики MATLAB.
Результатипроведених досліджень розширюютьзнання про механізм та закономірностівпливу фазових переходів, випромінювання таконвекції на високотемпературне окисленнявольфраму. Отримані результатиможуть бути використовані вметалургії при розробці легіруючихметалів та стійких домеханічних навантажень матеріалів, в порошковій промисловості, врадіотерапії тамедицині, в авіа- таракетобудуванні, в приладобудуванні. Запропонованіфізико-математичні моделі, методики досліджень аналізу впливу різних механізмівтепломасообміну та режимних параметрів на високотемпературні стани можуть бутивикористані для вивчення окислення інших металів.
2 Визначення об’єкту дослідження
Температурадротику, який нагрівався електричним струмом, розраховувалась із залежностійого питомого опору від температури. Електротермографічний метод дозволяєвимірювати температури металевих дротиків в широкому інтервалі її значень. Вобласті високих температур (>1100 К) температура вольфрамових дротиків вимірюваласьнезалежними методами оптичної пірометрії та комп’ютерної обробки цифрового зображення.Спостерігається добре погодження результатів вимірів з використанням цихметодів. Окрім того, розроблений нами метод безконтактного визначеннятемпературного поля на основі комп’ютерної обробки цифрового зображеннявипромінюючих об’єктів дослідження дав змогу визначити розподіл температуриповздовж вольфрамового дротику і температуру рухомих вольфрамових часток.
Задопомогою отриманих експериментальних часових залежностей температуривольфрамового дротику встановлено послідовність стадій його окислення татепломасообміну з газом. Перша стадія — стадія інертногонагрівання дротика до температури, яка визначається джоулевим тепловиділенням ітепловтратами молекулярно-конвективним шляхом до оточуючого газовогосередовища. На другій, найбільш продовженій стадії, на поверхні дротикурозпочинаються процеси окислення вольфраму з утворенням твердої оксидної плівки,в результаті чого температура дроту зростає до температури плавління оксиду.Завершаюча — третя стадія характеризується плавліннямоксидної плівки, її випаровуванням, інтенсивним окисленням вольфраму та перегораннямдротику.
Експериментальнимшляхом для різних діаметрів вольфрамових дротиків визначені критичні значеннясили струму, при яких спостерігається перехід процесів тепломасообміну таокислення до високотемпературного режиму. Представлені результатиекспериментальних досліджень впливу природньої та вимушеної конвекцій нахарактеристики високотемпературного окислення вольфрамових провідників прирізній просторовій орієнтації їх відносно напряму швидкості руху повітрянихмас. Результати експериментів добре погоджуються з теоретичними розрахунками.
Експериментальнітермограми 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 відносногравітаційних сил час виходу на високотемпературний режим тепломасообмінузменшується практично в 2 рази. Цей факт можна пояснити тим, що у випадкуприродньої конвекції внаслідок виштовхуючої сили для вертикально розташованогодротика по всій його довжині існує тепловий прошарок, в результаті чоготепловтрати до холодного газу зменшуються, особливо в його верхній частині іперегорання відбувається ближче до верхнього контакту. У випадкугоризонтального розташування дротику його перегорання відбувається переважно поцентру. Привимушеному потоці повітря ситуація змінюється на протилежну-раніше перегораєгоризонтально розташований дротик, так як збільшується площина його омиванняхолодним потоком. Встановлено, що в умовах природньої конвекції критичнізначення сили струму, при якому здійснюються високотемпературні стани длявертикально розміщеного дротика менші, чим для горизонтального.
Вроботі проведені експериментальні дослідження впливу теплообмінувипромінюванням вольфрамового дротика зі стінками реакційної камери на часіснування високотемпературного стану дротика. Для зменшення тепловтратвипромінюванням провідник розташовувался в фокусі циліндричного дзеркала.Отримано, что перегорання дротику />=210 мкм, />=10 см при силі струму />=4.5 А у відсутності тепловтратвипромінюванням відбувається на 20 с раніше. Провідник />=70 мкм при силі струму />=1.05 А в аналогічних умовахперегорає на 10 с раніше. Таким чином, збільшення діаметру дротика приводить дозростання впливу теплообміну випромінюванням, що пов’язано з ростом випромінюючоїповерхні.
3 Складанняматематичної моделі теплообміну вольфрамового провідника
Запропонованафізико-математична модель тепломасообміну та окислення вольфрамовогопровідника, що нагрівається електричним струмом, з урахуванням випаровуванняоксидної плівки з його поверхні.
Рівняннятеплового балансу має вигляд:
/>, />. (1)
Змінатовщини 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 тастінок реакційного устрою, К; />– товщина оксидної плівки, м; />– відноснамасова концентрація кисню в повітрі, />=0.23 при />=105 Па; />– тепловий ефектреакції, />;Nu, Sh – критеріїНуссельта, Шервуда; />– коефіцієнт дифузії кисню черезплівку окислу, />; />– енергія активації, />; />– коефіцієнт теплообміну,/>; />, /> – коефіцієнттеплопровідності та густина газу, />, />; />/>степінь чорноти оксидної плівки; /> — питомий опірпри температурі Т0=273 К, Ом×м; />–температурнийкоефіцієнт опору, />; />/>сила струму, А; /> – питома теплотапароутворення, />; />, />– швидкості наростання тавипаровування оксидної плівки, />; />, />, />, />– густини теплових потоківконвекцією, випромінюванням, до контактів та на випаровування оксиду, />; />, />/>густини хімічного таджоулева тепловиділення, />.
Рівняння (1)-(7) описують високотемпературний тепломасообміні кінетику окислення металевих дротиків при нагріванні їх електричним струмом.
Нарис. 1 представлені результати розрахунків по даній фізико-математичній моделідля вольфрамового дротика, який нагрівається електричним струмом в середовищікисню в порівнянні з експериментальними даними. Коректність побудованої моделізабезпечується добрим погодженням результатів теоретичних та експериментальнихдосліджень.
/> />
Рис.1. Часові залежностітемператури вольфрамового провідника (а) та товщини окислу на його поверхні (б)при потужності електричного струму
/>=106,4×10-4Вт/м2. />/>=50 мкм, />=7 см, />=1, швидкість обдувупровідника />=0.13 м/с. 1 – з врахуванням,2 – без врахування тепловтрат на випаровування оксидної плівки; ооо – експериментальнідані [1] /> Мержанов А.Г.Тепловая теория воспламенения частиц металлов // Ракетная техника икосмонавтика. – 1975. – Т.13, №2. – С.106-112.
Безврахування тепловтрат на випаровування оксиду температура дротика зростає,досягає максимального значення, потім зменшується внаслідок збільшення товщиниоксиду (рис.1, крива 2). При досягненні товщиною оксидної плівки критичногозначення /> відбуваєтьсязатухання реакції окислення на поверхні провідника, внаслідок зменшення густинихімічного тепловиділення. Врахування випару оксиду приводить до появи макcимумуна залежності /> (крива 1), так як швидкістьвипаровування плівки при певних температурах починає перевищувати швидкість їїутворення.
Ізумови теплової рівноваги знайдемо залежність сили струму від стаціонарноїтемператури провідника, яка визначає стійкі та критичні режими його окислення ітепломасообміну з газовим середовищем:
/>/>. (8)
Розрахована по формулі (8) залежність /> представленана рис.2. Екстремуми на кривій /> характеризують критичні режимизапалення дротику (т. />-максимум) та потухання (т./>-мінімум) привідповідно критичних значеннях сили струму /> та />. Крива до т. />-областьнизькотемпературного окислення дротику. Щоб перевести дротик із заданоюпочатковою товщиною оксидної плівки /> до високотемпературногостану, необхідно збільшити силу струму до значення, обумовленого т./>, у якійзагальний теплоприхід до дротика за рахунок джоулева і хімічного тепловиділеннямаксимально перевищує тепловтрати в газ, до стінок і через кінці дротика до контактів.Для всіх значень сили струму /> дротик із заданою /> буде запалюватися іпереходити в стійкий високотемпературний стан. Для того, щоб перевести дротик звисокотемпературного стану в низькотемпературний, потрібно зменшити значеннясили струму до величини />. Запалювання дротика силою струмув інтервалі /> можетакож відбуватися, якщо його початкова температура вища значення, що лежить накривій між точками /> та /> для відповідного значення />. Таким чином,спостерігається гістерезисна поведінка температури дротика в залежності відсили струму, що нагріває його. Область гістерезису обмежується критичнимизначеннями /> та/>. Критичнірежими нестійкі і визначають переходи з низькотемпературного стану довисокотемпературного і навпаки. При значеннях сили струму /> запалювання дротиканеможливо ні при яких значеннях його початкової температури.
Рис.2 демонструє, що випар оксиду приводить дозбільшення критичного значення сили струму, що характеризує потуханняпровідника />,і значного зменшення температури горіння (крива 2).
/>
Рис.2. Залежність/> длявольфрамового провідника />=70 мкм, />=10 см, />=/>=288 K; />=0.4 мкм; 1– безврахування випаровування, 2–з врахуванням випаровування WO2; ооо –нашіекспериментальні дані.
Зростання /> пояснюється збільшеннямтепловтрат від дротика, отже, для збереження умови стаціонарності силу струмупотрібно збільшити. Випар окисла не впливає на режими низькотемпературноготепломасообміну і критичні параметри запалювання провідника, тому що при цихтемпературах швидкість випару невелика.
Кружечками на рис. 2 представленіекспериментальні дані, отримані нами для вольфрамового дроту тих жегеометричних розмірів.
Спостерігається гарна згода експериментальних ірозрахун- кових стаціонарних низько- температурних режимів тепломасообміну.
Вданому розділі надаються результати експериментальних досліджень впливугеометричних розмірів дротику (діаметр та довжина) на стійкі та критичнівисоко- і низькотемпературні його стани. Доказано, що збільшення діаметрувольфрамового зразка приводить до зростання критичних значень сили струму, щовизначають його запалювання та потухання. Цей факт пояснюється тим, що призбільшенні діаметру дротика зменшується його опір і для збереження умовистаціонарності необхідно збільшити силу струму. Довжина дротика впливає тільки натепловой потік теплопровідністю до контактів (/>), значення якого мале в порівнянні з іншимитепловими потоками. Тому зміна довжини дротику практично не впливає назалежності />.
Показано,що в областях малих (1000 мкм) діаметрів дротику екстремумина залежностях /> переходять в точку перегину-відбуваєтьсявиродження критичних умов запалення і потухання. Доказано, що випар оксиду зповерхні вольфрамового дротика приводить до збільшення більш ніж у 2 разикритичних значень сили струму і діаметра, при яких відбувається виродженнякритичних умов.
Врезультаті розрахунків стаціонарних режимів тепломасообміну і окисленнявольфрамового дротика без теплообміну випромінюванням зі стінками установкивиявлено інтервал його діаметрів, для якого зникають критичні режими затухання.Залежність /> дляодного із таких діаметрів дротика представлена на рис.3, де видно, що загаситидротик зменшенням сили струму у випадку /> неможливо.
/>
Рис.3. Залежність /> для вольфрамового провідника />=250 мкм, />=10 см, />=/>=288 K, />= 0,4 мкм. 1– розрахунокпри />=0,2–розрахунок при />≠0. ооо — наші експериментальні дані
Такимчином, знайдено інтервал діаметрів вольфра- мового провідника, де недопустимозневажання в фізико-математичних моделяхтеплообміном випромінюван- ням.
Із рис.3 видно, що для визначення критичних параметрів запалювання (т./>) теплообміномвипромінюван- ням можно знехтувати. Для цього випадку в роботі отриманоаналітичний вираз для розрахунку критичних умов запалювання металевого дротика,який нагрівається електричним струмом в газі:
/>, (9)
з якого можна визначитикритичні значення товщини оксидної плівки, вище яких, при заданій силі струму,високотемпературні режими дротика не спостерігаються.
/>, />, />, (10)
/>-ефективнатемпература провідника, яка у випадку температурної залежності коефіцієнтатеплопровідності повітря знаходиться із трансцендентного рівняння:
/>. (11)
Порівняльнийаналіз критичних умов запалювання вольфрамових провідників різних діаметрівпредставлено на рис. 4. Результати розрахунку критичних значень температур /> та товщиноксиду/>, щохарактеризують запалювання, з використанням формул (10)-(11) (криві 2) добрепогоджуються з рішенням по точній моделі (криві 1). Крива 3 відповідає випадкуневрахування температурної залежності коефіцієнта теплопровідності повітря привизначенні />.Це приводить до значної похибки при визначенні критичних значень температурипровідника і товщини оксидного шару на його поверхні. Таким чином, для оцінкикритичних умов запалювання провідника можно використовувати формули (9)-(10) татрансцендентне рівняння (11).
/>/>
Рис.4. Залежностікритичних значень температури вольфрамового дротика і товщини оксидного шарувід його діаметру. />=1 А, />=288 К,/>=10 см, />=0, />=0, ооо–нашіекспериментальні дані.
Встановлено, що стефанівська течія приводить дозбільшення критичного значення товщини оксидної плівки, при якій часткапотухає. Це пояснюється тим, що у випадку стефанівської течії зростаютьконцентрація кисню на поверхні частки та її температура.
4 Результати дослідження. Висновки
1. Експериментально досліджено високотемпературні режимитепломасообміну та окислення вольфрамового дротику, що нагрівається електричнимструмом. Визначена стадійність в здійсненні його високотемпературних станів:інертне нагрівання (1 стадія); високотемпературний тепломасообмін та окислення (2стадія); плавління та випаровування окислів, збільшення, внаслідок цього,швидкості хімічного реагування (3 стадія).
2. розроблена фізико-математична модельтепломасообміну та окислення вольфрамових дротиків, які нагріваютьсяелектричним 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 післядосягнення ним максимального значення, що свідчить про значну роль випаровування в процесах високотемпературноготепломасообміну та окислення вольфраму.
3. Вивчено вплив геометричних розмірів провідника настійкі і критичні низько- та високотемпературні режими тепломасообміну вповітрі. Встановлено, що збільшення діаметру провідника приводить до значногозростання критичних значень сили струму, які визначають його запалювання іпотухання, зменшенню стаціонарної температури в низько- та високотемпературнихстанах. Знайдено критичні параметри виродження критичних умов (товщина окислу,діаметр провідника, сила струму), при яких спостерігаються безкризові переходидо високотемпературних режимів окислення.
4. Теоретично та експериментально вивчена роль теплообмінувипромінюванням в процесах високотемпературного окислення вольфрамовихпровідників різних діаметрів. Вперше встановлено незвичайний факт неможливостіпотухання палаючих провідників визначених діаметрів при зменьшенні сили струмуу відсутності тепловтрат випромінюванням до стінок реакційного устрою. Це далозмогу визначити інтервал діаметрів вольфрамового провідника, для якого значнароль тепловтрат випромінюванням і зневажати ними при оцінках стійких такритичних режимів недопустимо. Доказано, що врахування тепловтратвипромінюванням приводить до значного зменьшення критичних параметріввиродження в області великих діаметрів провідника.
5. Виявлено закономірності впливу природньої івимушеної конвекцій на часові характеристики та критичні параметривисокотемпературного окислення вольфрамових провідників при повздовжньому тапоперечному його розташуванні відносно напряму руху повітряних мас.Встановлено, що в умовах природньої конвекції для повздовжнього обтіканняпровідника більш, ніж в 1.8 разів скорочується час переходу довисокотемпературного стану. Це пояснюється виникненням при такому розташуваннінавколо провідника прошарку нагрітого газу, що створює сприятливі умовипереходу до високотемпертурного стану. В умовах вимушеної конвекції ситуаціязмінюється на протилежну.
Списоквикористаної літератури
1. КалинчакВ.В., Орловская С.Г., Грызунова Т.В., Копыт Н.Н. Высокотемпературное окислениеметаллов с учетом теплообмена излучением // Физика горения и взрыва.-2002.-Т.38, №2.-С.42-48.
2. КалинчакВ.В., Орловская С.Г., Грызунова Т.В. Устойчивые и критические режимывысокотемпературного окисления вольфрамового проводника в воздухе // Теплофизика высокихтемператур.-2003.-Т.41,№ 3.-С.465-469.
3. ОрловскаяС.Г., Калинчак В.В., ГрызуноваТ.В., Копыт Н.Н. Высокотемпературный тепломассообмен и кинетика окисленияметаллической частицы в воздухе // Химическаяфизика.-2004.-Т.23, №3.-С.49-55.
4. ОрловскаяС.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В., Каримова Ф.Ф. Влияние испарения оксиднойпленки на высокотемпературное окисление вольфрамовой частицы в воздухе с различнымсодержанием кислорода // Физика аэродисперсных систем.-2002.-Вып.39.-С.69-76.
5. ОрловскаяС.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В. Высокотемпературное окисление вольфрамового проводника с учетом теплообменаизлучением // Физика аэродисперсныхсистем.-2003.-Вып.40.-С.150-161.
6. Калинчак В.В., Орловская С.Г., Копыт Н.Н., Грызунова Т.В. Горение исамопроизвольное потухание фрикционных искр // “Дисперсные системы” XIX научная конференциястран СНГ.-Одесса, 25-29 сентября 2000.-С.81-82.
7. ОрловскаяС.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В. Устойчивые и критические режимы высокотемпературногоокисления вольфрама // Материалы конференции “Естественные и антропогенные аэрозоли”.-Санкт-Петербург, 24-27 сентября 2001.-С.19-20.
8. КалинчакВ.В., Орловская С.Г., Грызунова Т.В., Копыт Н.Н. Критические режимы тепломассообмена металлическихчастиц с воздухом при учете теплообмена излучением // Материалы конференции”Естественныеи антропогенные аэрозоли”.- Санкт-Петербург, 24-27 сентября 2001.-С.14-15.
9. ОрловскаяС.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В., Черных К.В. Влияние испарения оксиднойпленки на высокотемпературный тепломассообмен вольфрамового проводника вокислительной среде //IX Международная