Дослідження масотеплообміну на поверхневому шарі вольфраму та оксидів вольфраму (стр. 3 из 4)

Зростання

пояснюється збільшенням тепловтрат від дротика, отже, для збереження умови стаціонарності силу струму потрібно збільшити. Випар окисла не впливає на режими низькотемпературного тепломасообміну і критичні параметри запалювання провідника, тому що при цих температурах швидкість випару невелика.

Кружечками на рис. 2 представлені експериментальні дані, отримані нами для вольфрамового дроту тих же геометричних розмірів.

Спостерігається гарна згода експериментальних і розрахун- кових стаціонарних низько- температурних режимів тепломасообміну.

В даному розділі надаються результати експериментальних досліджень впливу геометричних розмірів дротику (діаметр та довжина) на стійкі та критичні високо- і низькотемпературні його стани. Доказано, що збільшення діаметру вольфрамового зразка приводить до зростання критичних значень сили струму, що визначають його запалювання та потухання. Цей факт пояснюється тим, що при збільшенні діаметру дротика зменшується його опір і для збереження умови стаціонарності необхідно збільшити силу струму. Довжина дротика впливає тільки на тепловой потік теплопровідністю до контактів (

), значення якого мале в порівнянні з іншими тепловими потоками. Тому зміна довжини дротику практично не впливає на залежності .

Показано, що в областях малих (<40 мкм) і великих (>1000 мкм) діаметрів дротику екстремуми на залежностях

переходять в точку перегину-відбувається виродження критичних умов запалення і потухання. Доказано, що випар оксиду з поверхні вольфрамового дротика приводить до збільшення більш ніж у 2 рази критичних значень сили струму і діаметра, при яких відбувається виродження критичних умов.

В результаті розрахунків стаціонарних режимів тепломасообміну і окислення вольфрамового дротика без теплообміну випромінюванням зі стінками установки виявлено інтервал його діаметрів, для якого зникають критичні режими затухання. Залежність

для одного із таких діаметрів дротика представлена на рис.3, де видно, що загасити дротик зменшенням сили струму у випадку неможливо.

Рис.3. Залежність

для вольфрамового провідника =250 мкм, =10 см, = =288 K, = 0,4 мкм. 1–розрахунок при =0, 2–розрахунок при ≠0. ооо - наші експериментальні дані

Таким чином, знайдено інтервал діаметрів вольфра- мового провідника, де недопустимо зневажання в фізико-математичнихмоделях теплообміном випромінюван-ням.

Із рис. 3 видно, що для визначення критичних параметрів запалювання (т.

) теплообміном випромінюван- ням можно знехтувати. Для цього випадку в роботі отримано аналітичний вираз для розрахунку критичних умов запалювання металевого дротика, який нагрівається електричним струмом в газі:

, (9)

з якого можна визначити критичні значення товщини оксидної плівки, вище яких, при заданій силі струму, високотемпературні режими дротика не спостерігаються.

, , ,(10)

-ефективна температура провідника, яка у випадку температурної залежності коефіцієнта теплопровідності повітря знаходиться із трансцендентного рівняння:

. (11)

Порівняльний аналіз критичних умов запалювання вольфрамових провідників різних діаметрів представлено на рис. 4. Результати розрахунку критичних значень температур

та товщин оксиду , що характеризують запалювання, з використанням формул (10)-(11) (криві 2) добре погоджуються з рішенням по точній моделі (криві 1). Крива 3 відповідає випадку неврахування температурної залежності коефіцієнта теплопровідності повітря при визначенні . Це приводить до значної похибки при визначенні критичних значень температури провідника і товщини оксидного шару на його поверхні. Таким чином, для оцінки критичних умов запалювання провідника можно використовувати формули (9)-(10) та трансцендентне рівняння (11).

Рис.4. Залежності критичних значень температури вольфрамового дротика і товщини оксидного шару від його діаметру.

=1 А,

=288 К,

=10 см,

=0,

=0, ооо–наші експериментальні дані.

Встановлено, що стефанівська течія приводить до збільшення критичного значення товщини оксидної плівки, при якій частка потухає. Це пояснюється тим, що у випадку стефанівської течії зростають концентрація кисню на поверхні частки та її температура.

4 Результати дослідження. Висновки

1. Експериментально досліджено високотемпературні режими тепломасообміну та окислення вольфрамового дротику, що нагрівається електричним струмом. Визначена стадійність в здійсненні його високотемпературних станів: інертне нагрівання (1 стадія); високотемпературний тепломасообмін та окислення (2 стадія); плавління та випаровування окислів, збільшення, внаслідок цього, швидкості хімічного реагування (3 стадія).

2. розроблена фізико-математична модель тепломасообміну та окислення вольфрамових дротиків, які нагріваються електричним 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 після досягнення ним максимального значення, що свідчить прозначну роль випаровування в процесах високотемпературного тепломасообмінута окислення вольфраму.

3.Вивчено вплив геометричних розмірів провідника на стійкі і критичні низько- та високотемпературні режими тепломасообміну в повітрі. Встановлено, що збільшення діаметру провідника приводить до значного зростання критичних значень сили струму, які визначають його запалювання і потухання, зменшенню стаціонарної температури в низько- та високотемпературних станах. Знайдено критичні параметри виродження критичних умов (товщина окислу, діаметр провідника, сила струму), при яких спостерігаються безкризові переходи до високотемпературних режимів окислення.

4. Теоретичнотаекспериментально вивчена роль теплообміну випромінюванням в процесах високотемпературного окислення вольфрамових провідників різних діаметрів. Вперше встановлено незвичайний факт неможливості потухання палаючих провідників визначених діаметрів при зменьшенні сили струму у відсутності тепловтрат випромінюванням до стінок реакційного устрою. Це дало змогу визначити інтервал діаметрів вольфрамового провідника, для якого значна роль тепловтрат випромінюванням і зневажати ними при оцінках стійких та критичних режимів недопустимо. Доказано, що врахування тепловтрат випромінюванням приводить до значного зменьшення критичних параметрів виродження в області великих діаметрів провідника.