книги из ГПНТБ / Теплообмен в электродуговом нагревателе газа

бродов, обычно применяемых в ЭДНГ (d = 0,3-f-0,6 см), главной причиной разрушения электродов являются условия на охлаждаемой поверхности. Если дуга враща­ ется равномерно, то электроды выходят из строя чаще всего из-за того, что температура на охлаждаемой по­ верхности оказалась выше допустимой. В результате

возникает пленочное кипение, коэффициент теплообмена резко уменьшается и элек­

dлШтрод 'прогорает.

Вслучае, если толщина стенки слишком велика, мо­

124

а более сложную, как, на­ пример, центральный элек­ трод в ЭДНГ коаксиальной схемы, то приведенные вы­

электрода и т. п. На рис. 3-6 в качестве примера приведе­ на область устойчивого теплового режима центрально­ го электрода ЭДНГ коаксиальной схемы. Как видно, су­ ществует оптимальная толщина (сІ~А,Ь мм), при кото­ рой наименьшее значение коэффициента теплообмена обеспечивает устойчивую работу электродов. Сужение об-

б)

Рис. 3-6. Область устойчивого теплового режима (а) внутреннего электрода ( / — 1 000 А, 6=0,5 см, <?о=2 кВт/см2) и расположение узлов У?-сетки и электропроводной бумаги в нем (б).

125

ласти Гфіі d > 4,5 міѵі объясняется тем, что увеличение толщины d для внутреннего электрода три неизменных его внешних размерах приводит к уменьшению площади ох­ лаждаемой поверхности и, следовательно, к ухудшению теплоотвода. Метод электромоделироваиия позволяет бы­ стро и надежно определять область устойчивого теплово­ го режима любой детали ЭДНГ. На электрических ком­ бинированных моделях можно исследовать тепловой ре­ жим ЭДНГ в целом, изучать действия подвижных источ­ ников (дуговых пятен), моделировать подвижные грани­ цы (выгорание электродов).

Если значения d и а таковы, что точка (d, а) распо­ ложена в области устойчивого теплового режима, то электрод при этом может работать достаточно длитель­ но.'-Эрозия материала электрода при этом будет иметь место только в дуговом пятне.

3-4. А Н А Л И З ТЕПЛОВЫХ УСЛ О ВИ Й В Д У ГО В О М ПЯТНЕ И РАСЧЕТ ТЕПЛООТВОДА ОТ ПЯТНА

•Прнэлектродная область сильноточной электрической дуги явля­ ется чрезвычайно сложным объектом для исследования. Толщина приэлектродного слоя составляет всего несколько длин свободного пробега молекул соприкасающегося с электродом рабочего газа, а температурный перепад на этом участке достигает десятков ты­ сяч градусов. Прнэлектродная область характеризуется также весьма интенсивным излучением, большой величиной напряженно­ сти электрического поля и большими тепловыми потоками к элек­ троду. Процессы, происходящие в приэлектродных областях, недо­ статочно изучены даже для неподвижных, свободно горящих дуг. Экспериментальные данные разных авторов различаются по вели­ чине иногда на несколько порядков. Так, например, для средней плотности тока в катодном пятне в литературе можно встретить

горит в специфических условиях, осложненных наличием газодина­ мических и магнитных сил, влиянием стенок разрядной камеры, повышенным давлением в камере и т. п. Естественно предположить, что для интенсивно обдуваемых дуг плотность тока увеличивается не только в дуговом столбе, но и в приэлектродных областях дуги. Увеличение плотности тока в дуговом пятне может привести к не­ желательному росту эрозии электродов. в разрядной камере и к уменьшению ресурса непрерывной работы установки.

При рассмотрении тепловых явлений в дуговом пятне в усло­

в быстром движении, непрерывном или скачкообразном. Это создает улучшенные по сравнению с неподвижной дугой условия теплооб­ мена с окружающей средой. При этом существенно увеличивается теплоотвод от дугового пятна в электрод (в дальнейшем мы будем употреблять термин «теплоотвод от дугового пятна»),

126

Если известны плотность теплового потока в пятне, радиус пятна г0 и скорость его движения ѵ, то можно определить род граничны.': условий,, имеющих место на поверхности электрода в ду­ говом пятне. Температура электрода непосредственно под пятном в начальный период нагрева, т. е. для времени т, удовлетворяющего условию Fo=ot/r2o<d, может быть определена из одномерного решения задачи теплопроводности для полуограниченного простран­ ства при граничных условиях второго рода [Л. 166]:

ве to можно взять температуру поверхности электрода перед пят­ ном в направлении его движения, т. е. температуру t(rt, 0), рас­ считанную выше.

Оценим время т°, в течение которого температура поверхности электрода в пятне достигает /ф; из (3-18) непосредственно получим:

не. Значение ее определяется свойствами материала электрода и величиной плотности потока энергии, поступающей в пятно. При очень больших плотностях энергии указанная температура может существенно превосходить температуру плавления.

Время воздействия непрерывно движущегося пятна на некото­

(скачка) So, т. е. величиной So/v. Тогда, если выполняется нера­

венство

равна і,|, и, следовательно, для расчета теплоотвода от дугового пятна нужно исходить из граничных условий первого рода в пятне.

В табл. 3-6 приведены значения т°, 'подсчитанные по (3-19) для

г0= ѴЧщ -

Расчеты проведены для /= 1 000 А, о=10 м/с. Время (с) воз­ действия дугового пятна на фиксированную точку поверхности электрода при этом выражается формулой

где j — плотность тока, А/см2.

w

рим решение одномерной задачи теплопроводности для полуограин-

При быстром движении пятна, когда Fo — аг/гд<^1, темпера­

турное поле непосредственно под пятном может быть получено из решения (3-21), в котором вместо т нужно подставить время воз­ действия пятна на точки поверхности электрода в пятне (рис. 3-7):

т = у/o ,.

Тогда плотность потока, поступающего в электрод из приэлектродной области дуги, будет равна:

128

Чтобы определить полиыіі теплоотпод от пятна (3-22), нужно проинтегрировать по области круга с радиусом г0 (дуговое пятно принимается круглым), принимая во внимание, что (рис. 3-7)

7 = | / го — л2 — У ■

Выражая радиус дугового пятна через величины тока и сред­ ней плотности тока, получаем формулу для теплового потока в виде

Теплоотвод от дугового пятна при прерывистом (шаговом) его движении. Рассмотрим другой крайний случай, когда дуговое пятно

движется скачкообразно, т. е. в течение некоторого времени т оно неподвижно, а затем исчезает и мгновенно появляется в новом

можно воспользоваться непосредственно решением (3-21). Плот­ ность теплового потока, отводимого в электрод, равна:

129

Таким образом, наибольший теплоотвод при данной скоростіі вращения дуги имеет место в случае непрерывного движения дуго­ вых пятен. Эрозия электродов при прерывистом движении дугового пятна будет соответственно выше; для ее снижения необходимо стремиться так организовать движение рабочей среды в камере, чтобы суммарное воздействие на дугу газодинамических и магнит­ ных сил привело к максимальному уменьшению времени, в течение которого пятно неподвижно.

Формула (3-26) может быть уточнена, если учесть предвари­ тельный прогрев электрода в пятне, прежде чем температура ста­ нет равной Л|). Это решение получено в [Л. 178], и здесь мы его приводим в окончательном виде:

<3г = (*Ф

Джоулевы потери в электроде. Для полноты картины тепло­ вых явлений в дуговом пятне необходимо оценить количество теп­ ла, выделяемого в электроде непосредственно под дуговым пятном. По закону Джоуля — Ленца

Qam—I2R,

где 1R — полное сопротивление электрода в случае, когда ток вхо­

дит в электрод через дуговое пятно. Поскольку размеры дугового пятна обычно существенно меньше размеров (толщины) электрода, последний можно рассматривать как полубесконечное тело. В этом случае электрическое поле растекания тока от дугового пятна будет аналогично электростатическому полю заряженной уединен­ ной бесконечно тонкой круглой пластины радиусом г0. Полная элек­ трическая емкость такого диска равна [Л. 182]:

ISO

энергии может быть отведено в электрод путем теплопроводности. Остальная часть энергии, очевидно, пойдет в основном на износ катода.

Отсюда следует, что при /> 1 0 5 А/см2 практически вся выде­ ляемая в прикатодиой области энергия должна идти на разруше­ ние электрода. Разрядная камера при этом очень быстро выходила бы из строя. Поскольку этого не происходит, то полученный ре­

катодной области дуги не есть некоторая постоянная, а устанав­ ливается в зависимости от условий отвода энергии в окружающее

ропроводность, теплота испарения, а также характер и скорость движения пятна по поверхности электрода.

3-5. ТЕПЛООБМ ЕН И ЭРО ЗИ Я В К А Т О Д Н О М ПЯТНЕ ЭЛ ЕКТРОДУГОВОГО НАГРЕВАТЕЛЯ

Хотя исследованию прикатодных процессов посвящено большое количество работ и имеется много разных гипотез, ни одна из них не в состоянии объяснить весь сложный комплекс прикатодных явлений в совокупности. Что же касается процессов теплообмена в прикатодных пятнах быстро движущейся по холодным электро­ дам дуги, то сведения о них незначительны.

В [Л. 186], наряду с измерением общего теплового потока на катоде нагревателя с концентрическими электродами, была произ­

131