Электрическая дуга как источник теплоты

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Электрическая дуга как источник теплоты

30.10.2020

Электрическим разрядом называют прохождение электрического тока в газе или паре под действием электрического поля. Обычно газ — изолятор, поскольку его молекулы нейтральны. Однако он приобретает проводимость при появлении в нем заряженных частиц — электронов и ионов.

Электрические разряды по характеру и внешним признакам весьма разнообразны. Несамостоятельные разряды существуют только при действии внешних факторов, способствующих появлению заряженных частиц в разрядном промежутке между электродами, к которым приложено напряжение. Такими факторами могут быть, например, ультрафиолетовое, рентгеновское или космическое излучение. При их устранении несамостоятельный разряд прекращается. Самостоятельные разряды, возникнув под действием какого-либо фактора, далее существуют без его помощи. К ним относятся темный, тлеющий, искровой, дуговой разряды (рис. 40, а). В промышленности применяются самостоятельные разряды всех видов. Нас будет интересовать наиболее мощный из них — дуговой.
Электрическая дуга как источник теплоты

Явление электрической дуги открыл В.В. Петров в 1802 г. Он показал, что с ее помощью можно расплавлять металлы, восстанавливать их из оксидов окислять атмосферный азот. Его труд «Известие о гальвани-вольтовских опытах» считается началом электротехники. Подробно с теорией электрической дуги можно ознакомиться по монографиям отечественных и зарубежных авторов.

В самостоятельном разряде уже при очень малом токе напряженность электрического поля неравномерна. В межэлектродном пространстве выделяют три зоны: катодную, анодную и столб дуги (рис. 40, б). Заряженные частицы могут возникнуть во всех трех зонах, но особое значение имеют процессы эмиссии на катоде и ионизации в столбе.

Сущность эмиссии (выпуска, излучения) заключается в том, что некоторые электроны проводимости при сообщении энергии извне преодолевают силы, удерживающие их в твердом теле, и выходят наружу. Энергия, необходимая для этого, называется работой выхода ф0 и весьма чувствительна к составу эмиттирующего вещества:

Существует пять видов катодной эмиссии: термоэлектронная; автоэлектронная; фотоэлектрическая; вторичная, вызванная положительными ионами; вторичная, вызванная метастабильными атомами. Для электрической дуги основными являются термо- и автоэлектронная.

Термоэлектронная эмиссия вызывается тепловым движением электронов, кинетическая энергия которых при высоких температурах может превысить работу выхода. Это явление обнаружено В.Ф. Миткевичем в 1905 г. Плотность тока термоэлектронной эмиссии j можно вычислить по формуле Ричардсона — Дэшмана

где A0 — константа, эмпирические значения которой очень отличаются от теоретического, равного 120 А/(см2*К2).

При автоэлектронной (холодной, электростатической) эмиссии электроны выходят из металла под действием энергии электрического поля. Этот вид эмиссии становится заметным при напряженности E поля, равной 10в6-10в7 В/см. Плотность тока рассчитывают по формуле Фаулера — Нордгейма

где Л' и b0 — коэффициенты, зависящие от материала катода.

В дуговом разряде эмиссия, вероятно, комплексная, т. е. авто-термоэлектронная, но в зависимости от материала катода преобладает какой-либо из ее видов. При сравнительно легкоплавких электродах (сталь) значение автоэлектронной эмиссии (холодный катод) велико. У тугоплавких электродов (углерод, вольфрам) при высокой температуре преобладает термоэлектронная эмиссия (горячий катод).

Столб дуги представляет собой плазму, состоящую из нейтральных частиц, положительных ионов и электронов, но в целом квазинейтральную. Появление заряженных частиц обусловлено ионизацией газа, т. е. удалением из нейтрального атома одного (первичная) или нескольких (вторичная и т. д. ионизация) электронов. Это требует затраты энергии, которая равна произведению заряда электрона на потенциал ионизации газа или пара e0Ui. Согласно, энергия первичной ионизации некоторых элементов характеризуется следующими данными:

Энергия вторичной ионизации весьма высока (около 50 эВ) и протекание этого процесса в обычной электрической дуге маловероятно.

Ионизация осуществляется в основном взаимным соударением частиц (термическая ионизация) и поглощением квантов энергии (фотоионизация). В столбе дуги наибольшее значение имеют неупругие столкновения нейтральных частиц с электронами, приводящие к диссоциации молекул, возбуждению атомов и их ионизации. Наряду с перечисленными процессами, требующими затраты энергии, в столбе дуги происходят обратные процессы — молизация, переход в невозбужденное состояние, рекомбинация, — обусловливающие квазиравновесие плазмы. Последнее характеризуется степенью ионизации х, т. е. отношением числа ионов к исходному числу нейтральных атомов в единице объема. Степень ионизации зависит от рода газа, температуры, давления р и описывается уравнением М. Сага

где а — квантовый коэффициент, изменяющийся от 1 до 4 (по данным К. К. Хренова).

Для смеси газов или паров рассчитывают эффективную степень и потенциал ионизации смеси. Установлено, что уже небольшие добавки легкоионизируемых веществ способствуют резкому снижению эффективного потенциала ионизации смеси и, следовательно, увеличению числа заряженных частиц в столбе дуги.

Упрощенно механизм дугового разряда представляют так. Из катода за счет термо- или автоэлектронной эмиссии вырывается поток электронов. В электрическом поле они разгоняются и ионизируют газ или пар в зоне столба. Положительные ионы направляются к катоду, а первичные и вторичные (выделившиеся при ионизации) электроны — к аноду. При их движении в столбе происходят новые соударения и образуются новые заряженные частицы, что компенсирует исчезновение зарядов в холодных частях столба, а дуга, возникнув, существует без внешнего источника ионизации. На аноде электроны нейтрализуются и могут выбивать из его поверхности положительные ионы. Принято, что в столбе дуги и анодной зоне электрический ток обусловлен движением электронов. Относительно соотношения электронного и ионного тока в катодной области единого мнения нет. Полагают, что ионный ток составляет 10—20 % электронного.

В соответствии с описанным механизмом представим упрощенную схему преобразования в дуговом разряде электрической энергии в тепловую. В столбе дуги энергия, затраченная на диссоциацию молекул, возбуждение или ионизацию атомов, преобразуется в световое излучение в результате обратных процессов (молизация, переход атомов в нормальное состояние, рекомбинация). Выделение теплоты будет тем значительнее, чем больше энергии требуется для прямых процессов. Это выражается, например, эмпирической зависимостью температуры дуги от эффективного потенциала ионизации газовой смеси:

На катоде и аноде теплота выделяется при бомбардировке их поверхности ионами и электронами. Катоду ионы сообщают кинетическую энергию (1—fe) UвIд и энергию их нейтрализации (1—fe) (Ui—ф0) Iд, где fе — доля электронного тока. Однако не вся энергия преобразуется здесь в теплоту. Часть ее затрачивается на эмиссию электронов. Таким образом, на нагрев и испарение катода расходуется энергия (в расчете на 1 А тока дуги)

Нa аноде потенциальная энергия электронов ф0 суммируется с их кинетической энергией, приобретаемой в анодной зоне и в столбе,

Расчеты по этим или другим формулам условны из-за произвольного выбора величин Uк, Uа и особенно доли электронного тока, именуемой еще коэффициентом аккомодации энергии ионов. Причиной неопределенности является сложность и недостаточная изученность приэлектродных процессов.

Поскольку количество теплоты, выделяемой дуговым разрядом, не превышает количества подводимой электрической энергии, то в первом приближении тепловыделение в катодной, анодной зонах и столбе дуги оценивают по величинам эффективного падения напряжения на этих участках электрической цепи

Неоднородность электрического поля обусловлена существованием нескомпенсированных объемных зарядов у катода и анода. В катодной области из-за своей малой подвижности накапливаются положительные ионы, а в анодной области отрицательный объемный заряд создается избытком электронов.

Дуговые разряды, существующие в парах металла электродов (металлические дуги), характеризуются большей величиной падения напряжения на катоде (10—20 В), чем на аноде (2,5 ± 1 В, по данным Д.М. Рабкина). Напряженность поля в столбе составляет 2,5—4 В/см, а тепловыделение на катоде превышает энергию, получаемую анодом. При горении дуг между тугоплавкими электродами испарение последних ослаблено и ток проводится ионизированным газом (газовые дуги). В этих случаях падение напряжения и тепловыделение на аноде значительно выше, чем на катоде. Дуги, у которых заметно испаряется только один из электродов, имеют различное соотношение тепловыделения на катоде и аноде в соответствии с указанными закономерностями.

Особый интерес представляет дуговой разряд в вакууме, вернее при пониженном давлении между плавящимися электродами, поскольку именно этот тип дуги лежит в основе процесса ВДП. При разрежении газа энерговыделение в различных зонах дугового разряда изменяется, что вызвано увеличением длины свободного пробега частиц. Напряженность поля в столбе уменьшается, а падение напряжения в катодной области увеличивается по сравнению с падением напряжения на дуге, горящей при атмосферном давлении. В случае стальных электродов, например, при напряжении дуги 23—25 В падение напряжения на катоде составляет 18—19 В, а на аноде — всего 1—1,5 В. Это означает, что тепловыделение на катоде металлической дуги в вакууме значительно превышает тепловыделение на аноде.

В дуговом разряде постоянного тока количество выделяемой энергии во всех трех зонах постоянно. Условия горения и полярность электродов дуги переменного тока периодически изменяются, что влияет на устойчивость дуги и количество выделяемой энергии. Для непрерывного горения дуги переменного тока необходимо, чтобы величина проводимости межэлектродного промежутка и эмиссионной способности катода сохранялись достаточными. Осуществить это практически не удается, и дуга горит прерывисто, исчезая и возникая в каждом полупериоде. Перерыв в горении дуги тем больше, чем меньше термическая инерционность процессов остаточной электронной эмиссии и распада плазмы столба. Для повышения устойчивости дуги переменного тока в электрическую цепь последовательно с ней включают индуктивность, повышают частоту тока, в дуговой разряд вводят легкоионизируемые вещества. Для повторного зажигания дуги в каждом полупериоде напряжение холостого хода источника питания должно иметь запас по отношению к рабочему напряжению дуги. В сравнении с дугой постоянного тока (при прочих равных условиях) тепловыделение в дуговом разряде переменного тока характеризуется меньшей эффективностью и равномерным распределением между электродами (в случае одинакового материала последних).

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: