Архитектура электронного правительства: Единая архитектура – это методологический подход при создании системы управления государства, который строится...
Состав сооружений: решетки и песколовки: Решетки – это первое устройство в схеме очистных сооружений. Они представляют...
Топ:
Генеалогическое древо Султанов Османской империи: Османские правители, вначале, будучи еще бейлербеями Анатолии, женились на дочерях византийских императоров...
Отражение на счетах бухгалтерского учета процесса приобретения: Процесс заготовления представляет систему экономических событий, включающих приобретение организацией у поставщиков сырья...
Определение места расположения распределительного центра: Фирма реализует продукцию на рынках сбыта и имеет постоянных поставщиков в разных регионах. Увеличение объема продаж...
Интересное:
Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов: Изучение оползневых явлений, оценка устойчивости склонов и проектирование противооползневых сооружений — актуальнейшие задачи, стоящие перед отечественными...
Национальное богатство страны и его составляющие: для оценки элементов национального богатства используются...
Принципы управления денежными потоками: одним из методов контроля за состоянием денежной наличности является...
Дисциплины:
2022-12-30 | 32 |
5.00
из
|
Заказать работу |
Баланс энергии дуги. Как для катодной, так и для анодной областей дуги можно составить подробную схему баланса энергии. Например, для участка анода основные составляющие баланса энергии следующие: приход - потенциальная и кинетическая энергия электронов, конвективная и лучистая теплопередача от столба плазмы; расход - плавление, излучение и теплоотвод в материал анода. Однако механизм явлений в переходных областях дуги пока недостаточно ясен, поэтому проводить точный расчет всех составляющих баланса энергии трудно. В катодной области остается неизвестной доля ионного тока, коэффициент аккомодации энергии ионов для данного катода, изменение работы выхода электронов вследствие эффекта Шоттки и т. п.
В технологическом отношении энергетическая структура дуги вполне определяется при термодинамическом макроподходе. Дугу при этом рассматривают как квазиравновесную систему, состоящую из трех источников теплоты: катодного W K; анодного W a и столба дуги W ct.
Ток во всех зонах дуги условно можно принять электронным. На результат термодинамического расчета такая условность совершенно не влияет. Баланс энергии за 1 с в расчете на 1 А тока приведен в табл. 2.3.
Принимаем условно φк = φа = φ, тогда для всей дуги
(2.75)
что соответствует известной формуле
(2.76)
Термодинамический баланс энергии на катоде целесообразно сравнить с точным балансом энергии, который для катода следовало бы написать так: приход = расход в катод + расход в столб, т. е.
(2.77)
где I = I j + I е - общий ток; W Ki, W ni - кинетическая и потенциальная энергии ионов, передаваемые на катод ионным током силой 1 А. Обозначив долю ионного тока f = I i / I, а долю электронного тока I е / I = 1 - f и разделив обе части уравнения (2.77) на I, получим баланс энергии на 1 А общего тока
(2.78)
В соответствии с табл. 2.3 для термодинамического баланса энергии в катодной области первое слагаемое в правой части (2.78) есть W K, а второе равно φ + 2 кТ. Отсюда
(2.79)
т. е. электроны уносят в столб дуги потенциальную энергию, соответствующую высоте барьера φ, и кинетическую энергию 2 кТ, где Т - температура плазмы столба дуги. Тогда доля ионного тока на катоде
(2.80)
Отсюда следует, что, например, увеличивая температуру Т в столбе дуги или работу выхода, можно уменьшить долю ионного тока и увеличить долю электронного тока. Если U K= 10 В, φ = 4 В, то f = 0,4. Это соответствует условиям W-дуги в аргоне.
Теплота, выделяющаяся в катодной (W K) и анодной (W a) областях, затрачивается на нагрев, плавление и испарение соответствующих электродов, а также на механические воздействия в приэлектродных областях.
Из формул, приведенных в табл. 2.3, следует, что на катоде не вся выделяемая энергия U K переходит в теплоту. Часть ее, равная φ + 2 кТ, уносится электронами в плазму дуги. На аноде, наоборот, потенциальная (φ) и термическая (2 кТ) энергии электронов прибавляются к энергии, определяемой анодным падением потенциала.
Иногда теплоту W K (и W a) оценивают как эффективное катодное (анодное) падение потенциала:
(2.81)
(2.82)
Тогда суммарное эффективное падение потенциала на катоде и аноде U э k+a= U k+a.
По формулам (2.81), (2.82) можно решить и обратную задачу -приближенно оценить тепловыделение на электродах без измерения теплового потока на катод и анод. Для этого необходимы значения катодного и анодного падений потенциала, температуры столба дуги и работы выхода электронов.
Пример 2.7. Для Ме-дуги из эксперимента получено: U K = 8 В, U a = 3 В при Т ≈ 5800 К. Для значений кТ ≈0,5 эВ, ф = 4 эВ определить тепловыделение в приэлектродных областях.
Решение. В соответствии с формулами (2.81) и (2.82) на 1 А тока тепловыделение составит: в катодной области W K = 8 - (4 + 1) = 3 В; в анодной области W a = 3 + (4 + 1) = 8 В.
Пример 2.8. Вольфрамовая, или W-дуга, характеризуется следующими параметрами: U K = 9 В, Т ≈ 23 000 К, кТ = 2 эВ, φ = 4 эВ, Ua = 3 В. Найти тепловыделение в приэлектродных областях на 1 А тока.
Решение. Подставляя числовые значения в (2.81) и (2.82), получаем, что тепловыделение составит: в катодной области W K = 9 - (4 + 4) = 1 В; в анодной области W a = 3 + (4 + 4) = 11 В.
Пример 2.9. Для плавящегося стального электрода теплота плавления на 1 А за 1 ч будет равна
(2.83)
где αр - коэффициент расплавления электрода, составляющий для ручной дуговой сварки 6... 14, а для автоматической 12...24 г/(А•ч); ΔН -теплосодержание расплавленного материала. Найти тепловыделение для ручной дуговой сварки в приэлектродных областях на 1 А тока.
Решение. Для сварки стали ΔН = 2300 Дж/г. Переводя час в секунды и подставляя числовые значения в (2.83), находим выражение для q пл в вольтах: q пл ≈0,64 αр. Подставляя αр = 10, получим q пл ≈ 6,4 В.
Из этих примеров следует, что в анодной области дуги тепловыделение энергии значительно больше, чем в катодной (как показано на рис. 2.25). Это учитывается технологами при выборе полярности электрода и изделия.
Тепловыделение в столбе дуги зависит от длины дуги и от напряженности электрического поля Е. В свою очередь, Е зависит от теплофизических свойств среды и тока и имеет максимальное значение при сварке в среде водяного пара (Е = 60...80 В/см), минимальное - в вакуумной дуге (Е = 2...4 В/см).
Потоки плазмы в дуге
Потоки плазмы в дуге увлекают за собой окружающий газ и поэтому всегда сопровождаются газовыми потоками. При малых токах (меньше 30 А) это движение вызывается подъемной силой, возникающей в результате того, что плотность горячей плазмы меньше плотности окружающей атмосферы. Дуги, в которых характер движения газа определяется свободной конвекцией, относятся к слаботочным дугам. В связи с этим интересно отметить, что название «дуга» произошло от формы, которую принимает газовый разряд низкой интенсивности между горизонтальными электродами под влиянием подъемных сил.
При увеличении тока возникает струйное течение плазмы со скоростями, которые значительно превышают скорости, обусловленные естественной конвекцией. Течение плазмы в таких сильноточных дугах направлено обычно от стержневого катода к плоскому аноду и называется катодной струей. Газовый поток входит в зону W-дуги в районе катода и уходит в радиальном направлении вблизи анода (рис. 2.29).
Давление в дуге возникает под действием электромагнитных сил (сил Лоренца). Радиальное сжатие (пинч-эффект) обратно пропорционально сечению, по которому идет ток. Следовательно, при стержневом катоде и плоском аноде оно постепенно убывает от катода к аноду. Наибольшее давление на оси столба при токе I и его плотности j составляет
(2.84)
а скорость катодной струи,
где А - коэффициент, зависящий от размерности; р - плотность плазмы.
Для W-дуг типична форма колокола (рис. 2.30), расширяющаяся к аноду. Область перед катодом здесь можно представить как электромагнитный насос, который забирает газ из среды и выбрасывает его к аноду. Скорость ионизованного газа в катодной струе W-дуги может иметь порядок 102 м/с, что соответствует от 0,1 до 0,2 М (М - число Маха). Поэтому катодную струю можно исследовать методами теоретического течения несжимаемой жидкости. При сварке Ме-дугой возможны скорости плазменного потока до 103 м/с. Потоки плазмы дуги обычно направлены перпендикулярно поверхности электродов, и их интенсивность увеличивается с ростом тока.
В Ме-дугах возникают встречные плазменные потоки струи как на катоде, так и на аноде. Они иногда могут располагаться соосно: внутренняя - от катода к аноду, а наружная - от анода к катоду, причем анодные струи (от анода к катоду) часто движутся быстрее, чем катодные. Скорость их движения может достигать 5 • 103 м/с. Причиной сжатия дуги у плоского анода может быть охлаждение слоя газа в анодной области.
Всякое сжатие дуги может послужить причиной возникновения потока плазмы в результате появления градиента давления. Это хорошо видно на рис. 2.31, где между угольными электродами показана в двух положениях (а, б) охлаждаемая водой медная пластинка S с отверстием. На катоде возникает поток плазмы. На широком аноде его нет. В отверстии возникают плазменные струи, направленные в обе стороны.
В обычной дуге места сужения, а следовательно, и плазменные струи возникают только вблизи электродов, и в этом смысле о них можно говорить, как о явлениях, связанных с электродами. Однако инжектирование струи горячего, хорошо проводящего газа или пара способствуют возникновению «сердечника» столба, характерного для мощной дуги. Такой «сердечник» возникает также в связи с отрицательным наклоном кривой зависимости теплопроводность - температура после максимума диссоциации или ионизации. Его иногда называют стержнем или шнуром диссоциации (ионизации). Если плазменная струя сообщает «жесткость» дуге вблизи катода, то в этом случае можно говорить о дуге, стабилизированной катодной струей (потоком плазмы).
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого...
Типы сооружений для обработки осадков: Септиками называются сооружения, в которых одновременно происходят осветление сточной жидкости...
Археология об основании Рима: Новые раскопки проясняют и такой острый дискуссионный вопрос, как дата самого возникновения Рима...
Наброски и зарисовки растений, плодов, цветов: Освоить конструктивное построение структуры дерева через зарисовки отдельных деревьев, группы деревьев...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!