Энергетика дугового разряда в двп

Для количественной оценки энергетических параметров электрофизических процессов дугового разряда в ДВП рассмотрим балансы мощности отдельных его элементов (см. гл. II, § 1).

Баланс мощности катода

Приходная часть баланса включает следующие энергетические процессы:

1. Изменение кинетической энергии К_р положительных ионов, ускоряемых катодным падением напряжения U_к и попадающих на катод в единицу времени:

, (189)

где а_р – коэффициент аккомодации ионов; b_р – доля ионного тока в прикатодной области.

2. Изменение потенциальной энергии (энергия нейтрализации) П_р положительных ионов, нейтрализующихся на катоде (экзотермический процесс), с учетом эффективной (U _вых из-за эффекта Шоттки) работы выхода из катода (эндотермический процесс эмиссии) соответствующего числа электронов:

, (190)

где a_g – коэффициент аккомодации нейтральных атомов.

3. Теплогенерация по закону Джоуля – Ленца вследствие высокой плотности тока в области расходуемого электрода, прилегающей к катодному пятну,

, (191)

где U_R – напряжение, составляющее, по данным Л.А. Волохонского, 1...3 В.

4. Теплопередача от столба дуги (в ДВП из-за низкой излучательной способности диффузного разряда и малой протяженности разрядного промежутка l_д мощность Р_стб, выделяемая в столбе, усваивается в основном катодом и анодом поровну):

. (192)

5. Теплопередача по закону Стефана – Больцмана от анода, имеющего более высокую температуру (Т_а > Т_к), т.е. Ф_ак (рис. 99).

Рис. 99. Схема теплообмена в рабочем пространстве ДВП: 1 – расходуемый электрод – катод; 2 – жидкий металл – анод; 3 – кокиль кристаллизатора; 4 – слиток

Расходная часть баланса включает следующие энергетические процессы:

1. Компенсация работы выхода электронов («эмиссионное охлаждение» катода), которая при термоавтоэлектронной эмиссии равна

. (193)

2. Полезный расход на нагрев, плавление и некоторый перегрев металла на катоде до температуры Т_к, при которой капли жидкого металла стекают с заданной массовой скоростью Q_m,

, (194)

где ∆F_к – изменение свободной энергии металла на катоде; W_y.т.к – удельный теоретический расход энергии, определяемый аналогично (129).

3. Тепловые потери расходуемого электрода излучением с поверхности на стенку водоохлаждаемого кристаллизатора и теплопроводностью в систему охлаждения электрододержателя, характеризуемых потоком Ф_к.

Теплота возможного фазового перехода при испарении материала электрода, т.е. Q_фаз.к.

При ВДП стали принимают Q_фаз.к ≈ 0, а_р ≈ a_g ≈ 1 (из-за сравнительно малых скоростей движения ионов и при равных массах атомов катода – расходуемого электрода и ударяющих ионов). Поэтому уравнение баланса мощности катода имеет вид

(195)

из которого можно рассмотреть преобразование электрической энергии (в результате электрофизических процессов на катоде)

(196)

в тепловую энергию процесса ВДП расходуемого электрода с массовой скоростью Q_m:

. (197)

Доля катодной мощности Р_к от всей электрической мощности дугового разряда Р_д = I_дU_д с учетом выражений (196) и (197) зависит от ряда электро- и теплофизических характеристик процесса, технологического параметра l_д и доли ионного тока b_р, которую можно определить из баланса мощности столба дуги.