Аналитическое описание процесса

Рассмотрим перенос тепла за счет теплопроводности при отсутствии внутренних источников тепла, когда температура системы изменяется не только от точки к точке, но и

с течением времени. Такие процессы теплопроводности называют нестационарными. Они

имеют место при нагревании (охлаждении) различных заготовок и изделий, при производстве стекла, обжиге кирпича, вулканизации резины, пуске и остановке различных теплообменных устройств, энергетических агрегатов и т.д.

Среди практических задач нестационарной теплопроводности важнейшее значение

имеют две группы процессов:

а) тело стремится к тепловому равновесию;

б) температура тела претерпевает периодические изменения.

Для нахождения распределения температур при нагревании или охлаждении твердых тел необходимо решить нестационарное дифференциальное уравнение теплопроводности, которое получается при уравнении энергии при отсутствии движения (w = 0):

(13.1)

 

Для интегрирования уравнения 13.1 необходимо задать условия однозначности, которые в данном случае включают в себя:

1) теплофизические свойства те­ла (с, р, λ );

2) форму и размеры тела;

3) начальное условие, опреде­ляющее температурное поле в теле в начальный момент времени τ =0;

4) граничные условия, опреде­ляющие перенос теплоты на грани­цах тела.

 

Чаще всего задается либо темпе­ратура тела на его поверхности (так называемые граничные усло­вия первого рода), либо тем­пература омывающей тело среды и коэффициент теплоотдачи между ними (граничные условия третьего рода).

Решение нестационарных задач для разнообразных условий можно найти в специальной литературе. Здесь мы рассмотрим лишь одно из них — охлаждение бесконеч­ной пластины в среде с постоянной температурой и при постоянном ко­эффициенте теплоотдачи (рис. 13.1).

 

 

Рисунок 13.1 – К постановке задачи об охлаждении пластины

 

На практике решение таких задач необходимо, например, при расчете процессов термообработки: вначале пластина с комнатной температурой помещается в печь, где она нагрева­ется горячими газами, а затем охлаждается в ванне с водой или маслом. Математическая постановка за­дачи состоит из нестационарного уравнения теплопроводности (13.1), которое для одномерного случая (температура изменяется только по толщине пластины) имеет вид:

(13.2)

 

начального условия.

 

t_{τ =0} = t₀ = const (13.3)

 

и граничного условия третьего рода.

Математическая формулировка гра­ничного условия получается из ба­ланса двух тепловых потоков: под­ходящего за счет теплопроводности к поверхности остывающего тела из его глубины q_x=δ =-λ (dt/dx)_x=δ и отводимого теплоотдачей к тепло­носителю q=a(t_c - t_ж):

-λ (dt/dx)_x=δ =a(t_c-t_ж) (13.4)

 

Учитывая симметричность зада­чи относительно середины пласти­ны, будем считать второй границей середину пластины х=0, где по условиям симметричности темпера­турного поля при х=0:

dtldx=0 (13.5)

 

Воспользуемся теорией подобия. Для технических целей в большинстве случаев можно ограничиться рассмотрением хода процесса только в одном направлении X.

Величина Х = х / 0 является безразмерной координатой. Величины Fo и Bi являются числами или критериям подобия, они выходят из уравнений. Число Фурье называют безразмерным временем, оно характеризует нестационарность режима. Число Bi характеризует отношение термического сопротивления теплопроводности стенки / Xcm к термическому сопротивлению теплоотдачи l / a.

Число Фурье: Fo = aτ /δ ².

Критерий Био Bi: Bi=aδ /λ.

Число Био характеризует отношение термического сопротивления переносу теплоты теплопроводностью от середины твердого тела к поверхности R_λ = δ /(λ F) к термическому сопротивлению теплоотдачи R_a = 1/(aF).

Величина критерия Био имеет большое значение при решении любой задачи теории теплопроводности. Если Bi < < 1, то либо имела места быть теплоотдача с поверхности тела, или большая тепловая проводимость стенки. В обоих случаях это означает, что температурный перепад внутри стенки мал и по всему сечению тела температура может быть принята одинаковой. Естественно, что такое допущение значительное упрощает решение задачи нестационарной теплопроводности. При значении критерия Bi > > 1 возникает положение, противоположное предыдущему, и согласно уравнению (2.95) можно утверждать, что температура поверхности тела становится практически равной температуре окружающей среды, и весь процесс в основном обусловлено явлением теплопроводности. Промежуточный случай, когда Bi ~ 1, является наиболее сложным, так упростить решение задачи в данном случае не удается.

Для ускорения расчетов по определению температур стенки при ее нагреве или охлаждении на практике пользуются обычно графоаналитическим методом, сущность которого заключается в использовании уравнения (2.98).

Значение функции в зависимости от критериев Bi и Fo определяют графическим путем, для чего предварительно следует найти только числовые значения этих критериев. Графики обычно охватывают широкий диапазон изменения критериев Bi и Fo, поэтому с их помощью можно рассчитать практически все возможные случаи охлаждения или нагрева.

Согласно общему решению задачи об охлаждении пластины экспоненциальное уменьшение избыточной температуры с течением времени имеет место и при значениях Bi> 0, 1, но только при Fo> 0, 3. Предэкспоненциальный множитель в этом случае будет зависеть от координаты Х, т.к.распределение температуры по толщине пластины уже неравномерное. Режим охлаждения, при котором температура в любой точке тела изменяется во времени по экспоненте, называют регулярным.

 

Лекция № 11. Теплогенерация. Теплогенерация за счет химиче­ской энергии топлива и элект­роэнергии

Теплогенерация за счет химиче­ской энергии топлива. Определение и классификация топлива. Различают следующие способы генерации теплоты в промышленных установках: генерация теплоты за счет химической энергии сжигаемого топлива; генерация теплоты за счет электрической энергии; генерация теплоты за счет окисления горючих компонентов исходных материалов. Последний способ во многом аналогичен первому, так как основывается на химических реакциях окисления примесей.

Топливо как источник теплоты широко используется в различных отраслях производства: черная и цветная металлургия, машиностроение, строительство, огнеупорная и химическая промышленность, сельское хозяйство, транспорт и т.д. Под топливом понимается вещество, горение которого со­про­вож­да­ется выделением большого количества теплоты и которое отвечает следующим требова­ни­ям: 1) за­па­сы должны быть достаточными для того, чтобы их было экономически выгодно добывать и использовать длительное время; 2) транспортировка и распределение по потребителям должны поддаваться механизации и авто­ма­ти­зации; 3) продукты сгорания должны легко удаляться из зоны го­ре­ния; 4) продукты сгорания должны быть безвредны для окружающей среды, человека и техноло­ги­че­ско­го оборудования; 5) процесс горения должен быть контролируемым и управляемым.

Не все материалы могут рассматриваться как топливо, хотя при их сгорании выделяется большое количе­ство теплоты. Например, в сталеплавильном производстве (при использовании технически чистого кислорода) тепло­та выделяется в результате окисления элементов: угле­род, кремний, марганец, сера, фосфор и железо. Но железо нельзя рассматривать в качестве топлива, так как его окисле­ние снижает выход годной продукции и, следова­тельно, является нежелательным процессом.

Топливо классифицируется по агрегатному состоянию, по происхождению и по назначению.

По агрегатному состоянию топливо делится на твердое, жид­кое и газообразное, по происхож­де­нию – на естественное и ис­кусственное. Искусственное топливо получается путем предва­рительной об­ра­ботки естественного с целью повышения его ка­чества. В группу твердого естественного топлива входят дрова, торф, бурый и каменный угли, антрацит, горючие сланцы. Искусствен­ное твердое топливо – древесный уголь, кокс, термоантрацит, угольная пыль, полукокс. В качестве жидкого естественного топлива используется нефть, жидкого искусственного – в основном продукты переработки нефти (бензин, керосин, мазут, дизельное топливо и др.). В качестве естественного газообразного топлива широко при­меняется природный газ, искусственного – коксовый газ, до­менный газ. Часто используются двойные смеси газов: смесь коксового и доменного, природного и доменного, природного и коксового, а также тройная смесь этих газов. Топливо по назначению подразделяют на энергетическое и технологическое. К технологическим относятся виды топлива, которые являются не только источником теплоты, но и компо­нентами технологического процесса (например, кокс в домен­ных печах используется и как восстановитель железа из желез­ной руды). К энергетическим относятся те виды топлива, которые явля­ются только источником теплоты как рабочего вида энергии, необходимой для реализации заданного технологи­че­ского про­цесса.

Показатели качества топлива. Качество топлива оценивается следующими количественными показателями: химический состав топлива, теплота сгорания топ­лива, температура горения топлива.

Химический состав топлива. Большинство видов топлива имеют органическое происхожде­ние, поэтому основными его составляющими являются углерод и водород в виде различных химических соединений. В состав топли­ва входят азот, кислород и сера. Указанные элементы составляют основу практически всех видов топлива. Помимо них в топливе содержатся вода и зола. Зола (А) состоит из оксидов А1₂О₃, SiO₂, CaO, Fe₂O₃ и др.

Сера является нежелательным элементом топлива, так как она переходит в конечный продукт технологического процесса, ухудшая его свойства. Кроме того, образующийся оксид серы взаимодействует с парами воды с образованием паров серной кислоты, которая вызывает коррозию технологического оборудования и вредна с экологической точки зрения. В горении принимает участие органическая и колчеданная сера, сульфатная сера не окисляется и не принимает участия в горении.

Влага (W)., содержащаяся в топливе, подразделяется на гигроскопическую (химически связанную) и внешнюю, или механическую, которая попала в топливо при его добыче, транспортировке и складировании.

Для определения химического состава топлива проводится как технический, так и химический анализ. В результате технического анализа определяется содержание влаги, газообразных летучих соединений и золы. Для твердого и жидкого топлива в результате химического анализа определяется содержание химических элементов С, Н, N, О, S, поэтому такой анализ называется элементным. В этих видах топлива из-за сложного химико-минералогического состава невозможно отдельно выделить химические соединения различных элементов.

Для газообразного топлива, наоборот, химическим анализом определяется содержание различных химических соединений, например СО, СО₂, СН₄, а также Н₂, N₂, O₂ и др.

По результатам элементарного анализа можно выделить в топливе: органическую массу (индекс «о») (С, Н, О, N), горючую массу (индекс «г») (С, Н, N, S), сухую массу (индекс «с») (С, Н, О, N, S, А).Совокупность всех компонентов, входящих в жидкое и твердое топливо, называется рабочим топливом (индекс «р») (С, Н, О, N, S, A, W). Содержание углерода, водорода, кислорода, азота и серы при элементарном анализе определяется в процентах по массе. Состав рабочего топлива, %, записывается в виде C ^p + H ^p + O ^p + N ^p + S ^p+Ж ^р + А ^р = 100. (102)

Для твердого и жидкого топлив пересчет состава из одной мас­сы в другую проводится по формулам, %:

Х^О = Х^Г Х^Г = Х^С Х^О = Х^С Х^С = Х^Р

Х^О = Х^Р Х^Г = Х^Р (103)

где X — любой элемент топлива в массе, обозначенной соответ­ствующим индексом.

Из выражения (102) видно, что в состав рабочего топлива входят горючие компоненты (С, Н, S) и негорючие (О, N, W, А). Качество топлива будет тем выше, чем больше горючих компонентов, поскольку теплота вы­деляется именно при их горении.

Химический анализ газообразного топлива проводят после осушки его, при этом определяется содержание влаги в единице объема рабочего топлива W, г/м³.

Теплота сгорания топлива. Теплота сгорания топлива является важнейшей характеристи­кой топлива и показывает, какое количество теплоты выделяется при сжигании единицы топлива (жидкое и твердое – 1 кг, газо­образное – 1 м³) до продуктов полного сгорания всех горючих компонентов. Теплота сгорания имеет размерность кДж/кг (твердое и жидкое топливо) и кДж/м³ (газообразное топливо) и зависит только от химического состава топлива.

Присутствие в топливе влаги, водорода и углеводородных химических соединений привело к тому, что различают два вида теплоты сгорания: высшую и низшую. Высшая теплота сгорания Q характеризует количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы топлива при условии, что образовавшиеся пары воды охлаждаются, конденсируются в жидкое состояние и охлаждаются до 273 К. При этом в зону горения возвращается (в расчете на 1 кг воды): 2256, 8 кДж/кг – скрытая теплота испарения и 418, 7 кДж/кг – теплота нагрева воды от 273 до 373 К, всего 2675, 5 кДж/кг.

Однако при сгорании топлива в промышленных установках указанные условия не выполняются. Поэтому более реальной характеристикой топлива является низшая теплота сгорания топлива. Низшая теплота сгорания топлива Q характеризует количе­ство теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы топлива при условии, что образовавшиеся пары воды охлаждают­ся в газообразном состоянии с 373 до 273 К. Количество возвра­щенной в зону горения теплоты, при этом составляет 1∙ 2, 041(373 – 273) = 163, 3 кДж/кг, где 2, 041 — теплоемкость паров воды, кДж/кг.

Условия, при которых определяется низшая теплота сгорания, также не соответствуют реальным промышленным условиям, на самом деле пары воды покидают зону горения вместе с другими продуктами сгорания. Количественная разница между высшей и низшей теплотой сго­рания в расчете на 1 кг воды составляет 2512, 2 кДж/кг.

Теплота сгорания топлива определяется экспериментально пу­тем сжигания определенного количества топлива (топливной на­вески) в водяном калориметре. Зная количество воды в калори­метре, ее теплоемкость, изменение температуры воды до и после сжигания топливной навески, можно рассчитать высшую теплоту сгорания. Для твердого и жидкого топлива используются различ­ные эмпирические формулы, полученные путем обработки опыт­ных данных. В частности, до сих пор широко используется форму­ла Д.И.Менделеева для определения теплоты сгорания, МДж/кг:

Q = 0, 34C ^p + l, 25H ^p + 0, 11(S ^p – O ^p); (104)

Q = 0, 34С ^р + 1, О3Н ^р + 0, 1 l(S ^p – О ^р) – 0, 025 W ^Р. (105)

В этих формулах используются данные элементарного анализа С ^р, Н ^р, О ^р, S ^p, W ^p, выраженные в процентах.

Теплота сгорания газообразного топлива рассчитывается точно по известному химическому составу его и известным тепловым эффектам реакций горения горючих компонентов как сумма про­изведений тепловых эффектов на долю соответствующего горю­чего компонента в топливе.

Для сравнения эффективности использования того или друго­го вида топлива, оценки расхода топлива на производство едини­цы продукции введено понятие условного топлива.

Условным топливом называется такое топливо, теплота сгора­ния которого равна 29, 3 МДж/кг.

Для перевода твердого или жидкого топлива в условное ис­пользуется понятие калорийного эквивалента: (106)

Для перевода газообразного топлива в условное используется понятие коэффициента теплоплотности: (107)

Понятие коэффициента теплоплотности часто используется для оценки запасов топлива, перевозки и хранения. Чем меньше плотность твердого топлива, тем больше разница в величинах Э_к и Э_т и тем более дорогой является перевозка топлива. Например, торф нерентабельно перевозить на большие расстояния, и он используется как местное топливо. Понятие условного топлива позволяет оценить эффективность работы однотипного оборудования, работающего в различных ус­ловиях или в различных режимах.

Температура горения топлива. Теплота, выделяющаяся в результате сжигания топлива, рас­ходуется на повышение температуры продуктов сгорания, т. е. на увеличение их теплосодержания или энтальпии. Различают три вида температуры горения: теоретическую Т_теор, калориметрическую Т_кал и действительную Т_Д. Действительная температура горения определяется по формуле:

, (108)

где – низшая теплота сгорания топлива, кДж/м³ или кДж/кг; = V_ВC_ВT_B — физическая теплота подогретого воздуха, расходуе­мого на сжигание единицы топлива, кДж/кг или кДж/м³; С_в – теплоемкость воздуха при температуре Т_в подогрева воздуха, кДж/(м³-К) или кДж/(кг-К); V_B – количество воздуха, расходуе­мого на сжигание единицы топлива, м³/м³ или м³/кг; = 1С_ТТ_Т – физическая теплота, вносимая в зону горения единицей подогре­того до Т_т топлива; С_т – теплоемкость топлива при температуре Т_т, – все виды потерь теплоты из зоны горения в окружающее пространство; – потери теплоты, связанные с диссо­циацией продуктов сгорания при высоких температурах, степень диссоциации определяется опытным путем; V_n.с – количество про­дуктов сгорания, образующихся при сгорании единицы топлива, м³/кг или м³/м³. Эта величина определяется при расчете горения топлива; С_п.с – теплоемкость продуктов сгорания при температу­ре Т_д. Поскольку температура Т_днеизвестна, то неизвестна и ве­личина С_п.с. Поэтому действительная температура горения топли­ва не может быть рассчитана по формуле (108) напрямую.

Если предположить, что горение топлива протекает при отсут­ствии потерь теплоты, т.е. в адиабатных условиях, то = 0.Тем­пература продуктов сгорания, соответствующая этим условиям, называется теоретической температурой горения и определяется по формуле:

(109)

величина Т_теор всегда выше Т_д. Калориметрическая температура определяется соотношением:

(110)

Как следует из выражения (110), калориметрическая темпе­ратура определяется при условии, что сжигание топлива проис­ходит в адиабатных условиях при отсутствии потерь теплоты из зоны горения в окружающее пространство и при отсутствии дис­социации продуктов сгорания. По формуле (110) невозможно напрямую рассчитать калори­метрическую температуру, поскольку неизвестна теплоемкость продуктов сгорания. Если воздух и топливо не подогреваются, то принима­ются равными нулю, хотя их величины равны нулю только при нулевой абсолютной температуре. Как правило, подогревают только низкокалорийное газообразное топливо и воздух.

Действительная температура горения – это температура, ко­торую имеют продукты сгорания топлива с учетом всех реальных условий его сжигания: конструкции технологического оборудова­ния, всех видов потерь теплоты из зоны горения, включая потери на диссоциацию продуктов сгорания. Действительная температура связана с калориметрической соотношением:

Т_Д = η Т_кал, (111)

где η – пирометрический коэффициент; величина его определя­ется экспериментально для каждого вида технологического оборудования, в котором сжигается топливо для получения теплоты, и изменяется в пределах 0, 75÷ 0, 95.

Теплогенерация за счет электрической энергии. Электрическая энергия, наряду с химической энергией топли­ва, широко используется в различных отраслях народного хозяй­ства. Использование электрической энергии осуществляется в двух формах – в форме механической энергии и в форме теплоты. Рассмотрим электрическую энер­гию как источник теплоты, необходимой для реализации того или иного технологического процесса. Использование электроэнергии для получения теплоты имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с топливом.

Ос­новные преимущества использования электрической энергии мож­но сформулировать следующим образом: электрическую энергию более просто транспортировать на далекие расстояния;

– распределение электрической энергии по потребителям про­ще автоматизировать, регулировать и контролировать;

– электрическую энергию возможно концентрировать в малых объемах и, как следствие, достигать высоких температур, тогда как при сжигании топлива образуются большие объемы продук­тов сгорания, в которых аккумулируется теплота;

– концентрация больших количеств теплоты в малых объемах обрабатываемого материала позволяет быстро нагревать его, что, в свою очередь, позволяет достичь высокой производительности технологического оборудования;

– в установках, использующих электрическую энергию, дости­гается более высокая точность контроля и регулирования пара­метров технологического процесса, и, следовательно, более вы­сокое качество готовой продукции;

– при использовании электрической энергии технологическое оборудование более компактно, отсутствуют вредные выбросы в окружающую среду (исключая, естественно, сугубо технологиче­ские выбросы), имеет место более высокая технологическая куль­тура производства;

– использование электрической энергии позволяет получить в зоне технологического процесса любую газовую атмосферу – ней­тральную, защитную, восстановительную, вакуум, а также атмо­сферу с повышенным давлением.

Вопрос о применении электроэнергии или топ­лива решается не только из чисто энергетической целесообраз­ности, но и исходя из технико-экономического обоснования, поскольку стоимость электрической энергии и электрического обо­рудования существенно выше стоимости топлива. Электроэнергия должна использоваться прежде всего там, где требуемое качество продукции не может быть получено за счет использования теплоты топлива.

Существует два основных принципа генерации теплоты за счет электрической энергии, на которых базируются все промышлен­ные способы получения теплоты в различных технологических устройствах: генерация теплоты в рабочем теле при приложении к нему разности потенциалов и генерация теплоты в рабочем теле, помещаемом в перемен­ное электромагнитное поле.

В общем случае рабочее тело может быть твердым, жидким или газообразным. В качестве рабочего тела может выступать как сам материал, подвергаемый тепловой обработке (нагреву, плавлению и др.), так и материал, в котором осуществляется только процесс генерации теплоты, а полученная теплота передается обрабаты­ваемому материалу.

Генерация теплоты при приложении разности потенциалов к твердому рабочему телу. Указанный принцип возможен только в том случае, когда ра­бочее тело является электропроводным, т.е. в нем имеются сво­бодные заряды – ионы и электроны. Наложение электрического поля, т.е. приложение к рабочему телу разности потенциалов U, вызывает направленное перемещение свобод­ных зарядов внутри тела, т. е. электрический ток I. В процессе упругих столкновений движущихся зарядов с атомами кристаллической решетки кине­тическая энергия зарядов превращается в тепловую. Количествен­но выделение теплоты внутри рабочего тела, Дж, описывается законом Джоуля—Ленца:

Q = U I t = I² R t, (112)

где R – сопротивление рабочего тела, Ом; t – время, с.

Для получения теплоты может быть использован постоян­ный и переменный электрический ток. На практике исполь­зуется переменный ток, так как при постоянном токе требуются дорогостоящие ге­не­раторы большой силы тока и низкого напря­жения и трансформаторы тока. При протекании пере­мен­но­го электрического тока через проводник его сопротивление складывается из активного и индук­тив­но­го сопротив­лений. Активное сопротивление в этом случае больше сопротивления проводника в слу­чае протекания по нему постоянного тока из-за на­личия скин-эффекта (поверхност­ного эффекта), в ре­зуль­тате ко­торого наибольшая плотность тока наблюдается в поверхностных сло­ях проводника. Скин-эффект про­является тем больше, чем выше частота переменного тока, диа­метр проводника и его маг­нит­ная проницаемость. С ростом удельно­го электрического сопротивления скин-эффект проявляется в мень­шей степени.

Различают две схемы генерации теплоты при приложении раз­ности потенциалов к твердому рабочему телу – прямого или кон­тактного нагрева (рисунок 11)и косвенного нагрева (рисунок 12). При прямом нагреве теплота выделяется в самом рабочем теле 1, имеющем активное сопротивление R. Очевидно, что если рабочее тело имеет более сложную форму (рисунок 11 б), то вследствие того, что R₁ > R₂ при постоянной величине тока I (последователь­ное соединение проводников) за одно и то же время в различных частях нагреваемого тела выделится различное количество тепло­ты (Q₁ > Q₂).Указанное явление приведет к различному уровню температур в различных частях тела.

1 — рабочее тело; I — сила тока; R, R₁, R₂ – активные сопротивления рабочих тел R

 

Рисунок 11 – Схема прямого (контактного) нагрева изделия простой (а) и сложной (б) формы.

 

При косвенном нагреве генерация теплоты происходит в специ­альных нагревателях, выполнен­ных из высокоомных материалов. Имеющие высокую температуру нагреватели излучают теплоту по всем направлениям простран­ст­ва, в том числе и на поверхность нагреваемого материала 2. При невысоких рабочих температурах (до 600÷ 700 °С) с целью интенсификации процесса переноса теп­лоты к нагреваемому материалу в рабочем пространстве нагре­вательного устройства специальными вентиляторами создается интенсив­ное движение газовой среды. Печи сопротивления кос­венного нагрева находят широкое применение в машинострое­нии, металлообработке, различных лабораторных установках и т.д. Интенсивность тепло­ге­не­рации в них составляет 5÷ 3000 кВт/м², а в устройствах прямого нагрева – до 20 МВт/м³.

 

 

1 – рабочее пространство; 2– на­греваемое изделие; R – нагреватели

 

Рисунок 12 – Схема косвенного на­грева

Генерация теплоты при приложении разности потенциалов к жидкому рабочему телу. Генерация теплоты за счет электрической энергии в жидкой фазе может происходить при протекании постоянного и переменного токов. Используются две схемы – нагрев в электролите (рисунок 13 а) и нагрев в расплавленных солях (рисунок 13 б).

В случае нагрева в электролите в емкость помещают два элек­трода, одним из которых является на­греваемое изделие 1. Элект­роды присоединяют к источнику постоянного тока. В результате элект­ро­ли­за образующийся водород в виде положительно заря­женных ионов осаждается на изделии-катоде, под­соединенном к минусовому полюсу. Ионы водорода, отдав свой заряд изде­лию, образуют на его по­верхности водородную газовую пленку. При определенной величине разности потенциалов между элек­­тролитом и катодом-изделием возникает электрический разряд в виде электрической дуги, где и про­исходит превращение элек­трической энергии в тепловую, которая нагрева­ет изделие. Водородный слой вследствие низкого коэффициента теплопро­водности газа теплоизолирует изделие от элект­ро­ли­та, предот­вращая перегрев последнего. Изменяя величину разности потенци­алов, можно регулировать температуру и время нагрева изделия.

 

а 1 – нагреваемое изделие; 2 – электро­лит; 3 – рабочий электрод

б 1 – электроды; 2 – нагреваемое изделие

 

Рисунок 13 – Схемы нагрева в электро­лите (а) и в рас­плавленных солях (б)

 

При нагреве в расплавленных солях используется переменный ток. Металлические электроды 1 по­гру­жаются в соль, которая рас­плавляется при протекании через нее электрического тока и на­гревается до температуры плавления. Комбинируя состав пу­тем смешения разных солей, каждая из которых имеет свою тем­пературу плавления, достигают необходимую температуру нагрева изделия 2.

Основное количество теплоты выделяется в межэлектродном пространстве. Равномерность рас­пре­­де­ления температуры в ванне расплавленной соли и равномерность нагрева изде­лия, достигается за счет конвективного и электродинамиче­ского перемешивания соляного расплава. Пе­ренос теплоты от рас­плава к поверхности изделия осуществляется конвекцией и теп­лопровод­ностью. В устройствах, ис­поль­зующих принцип генерации теплоты в жидких расплавах, большое значение имеет правильный вы­бор взаимного расположения электродов и изделия. Он должен обес­печить равномерный нагрев из­де­лия и максимально исключить протекание через него электрического тока.

Генерация теплоты при приложении разности потенциалов к газообразному рабочему телу. Га­зы обладают низкими значениями коэффициентов тепло- и электропроводности и при низких напря­же­ниях не являются про­водниками электрического тока. Однако при высоком напряже­нии между элект­родами изолирующие свойства газа исчезают, и появляется возможность пропускать через них элект­рический ток большой силы. Большая разность потенциалов приводит к иони­зации газа – появ­лению в нем положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Элект­роны имеют мень­шую массу, более подвижны и играют основную роль в переносе электрического заряда.

Прохождение электрического тока через газ называется газо­вым разрядом. При определенной величине разности потенциалов газовый разряд не затухает, становится устойчивым и называет­ся электрической дугой. Электрическая дуга обладает электриче­ским сопротивлением, и при прохож­де­нии через нее тока в ней выделяется теплота, другими словами, в электрической дуге про­исходит пре­вра­щение электрической энергии в тепловую (гене­рация теплоты). От дуги теплота передается нагре­вае­мому изде­лию излучением.

Столб дуги представляет собой высокотемпературную смесь элек­тронов, ионов и нейтральных атомов и молекул. Смесь указан­ных компонентов называется плазмой. В термической плазме тем­пе­ра­ту­ра всех частиц одинакова. Так как число отрицательно заряженных электронов и положительно за­ря­женных ионов оди­наково, то плазма является квазинейтральной в элек­трическом отношении.

Под действием электрического поля электроны движутся к аноду, а ионы – к катоду. Средняя температура электрической дуги зависит от разности потенциалов и при атмосферном давлении достигает 5500 К. Электрическая дуга может быть получена при использовании как постоянного, так и переменного тока. В случае переменного тока дуга может гореть непрерывно или в режиме горения и затуха­ния. Последнее определяется частотой переменного тока и термо­инерционными свойствами газа и электродов. Для непрерывного горения дуги в электрическую цепь последовательно с дугой вклю­чают индуктивное сопротивление, которое вследствие появления ЭДС самоиндукции сдвигает на некоторый угол ток в дуге по фазе относительно напряжения. Горящая между двумя электродами высокотемпературная элек­трическая дуга используется для получения потока плазмы в специальном устройстве – плазматроне. Для получения плазменного потока через дугу постоянного тока продувается плазмогенный газ. Наиболее пригодными газами для получения плазменного потока (плазменной струи) являются Аг, Не, Н₂ и N₂. Двухатомные газы Н₂ и N₂ более дешевые и обладают достаточно высокой энтальпией. Наиболее часто в качестве плазмогенного газа используется Аг с добавкой 10÷ 15 % Н₂. Главным критерием при выборе плазмогенного газа является его энтальпия. Плазмогенный газ подается в дуговой промежуток между водоохлаждаемыми нерасходуемыми электродами, нагревается, иони­зируется и вытекает из плазматрона в виде плазмы. Скорость исте­чения плазменной струи достигает скорости звука.

Плазма представляет собой полностью ионизированный газ с равным числом положительно и отрицательно заряженных час­тиц. Плазма во многом подчиняется газовым законам. Однако в отличие от газа она обладает большой электропроводностью, ино­гда равной электропроводности металлов, и обладает магнитны­ми свойствами. Это позволяет получить нужную форму плаз­менной струи, сжимать ее с целью повышения температуры. В промышленных установках, например, плазменно-дуговых пе­чах, температура плазмы достигает 20000 К. Плазма возникает при всех электрических разрядах в газо­образной среде. Для промышленного использования (нагрева, плав­ления) струя плазмы искусственно сжимается холодными стен­ками плазматрона или магнитным полем, создаваемым опреде­ленным образом расположенными магнитными линзами. Сжатие столба дуги повышает температуру дуги и плазменной струи за счет повышения напряжения, уменьшения поперечного сечения и, следовательно, повышения плотности тока в дуге. Теплота от плазмы к обрабатываемому материалу передается главным образом излучением и частично конвекцией.

В промышленности используются дуговые печи переменного тока промышленной частоты, дуговые печи постоянного тока, дуговые вакуумные печи с давлением внутри печи 0, 01÷ 1, 0 Па для переплавки металла с целью повышения его качества, рудовосстановительные печи чер­ной и цветной металлургии, плазменно-дуговые печи для пере­плавки металлов и др. Мощность промышленного плазматрона в плазменно-дуговых печах достигает 7, 5 МВт. Используя явление ионизации высо­ко­тем­пе­ратурного газа, мож­но повысить температуру продуктов сгорания топлива, если их пропускать через электри­ческое поле, с 2000÷ 2500 до 6000 К. Пламя горящего топлива в электрическом поле пред­став­ля­ет собой про­межуточный случай между газом и плазмой. Устройства для сжигания газообразного топ­ли­ва с наложением на продукты сго­рания постоянного электрического поля, называются электро­хи­­мическими, или топливоплазменными горелками.

12345Следующая ⇒

Поделиться: