ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. І.І. МЕЧНИКОВА

ГРИЗУНОВА ТЕТЯНА ВАЛЕРІЇВНА

УДК 536.46

ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИЙ ТЕПЛОМАСООБМІН ПРИ ПРОТІКАННІ ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ ТА ФАЗОВИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ НА ПОВЕРХНІ ВОЛЬФРАМУ ТА ЙОГО ОКСИДІВ

01.04.14–Теплофізика та молекулярна фізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Одеса–2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі теплофізики Одеського національного університету ім. І. І. Мечникова Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент

Орловська Світлана Георгіївна,

кафедра теплофізики Одеського національного університету ім. І. І. Мечникова

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Золотко Андрій Ніконович, завідувач кафедрою загальної та хімічної фізики Одеського національного університету ім. І. І. Мечникова

доктор фізико-математичних наук, професор

Козицький Сергій Васильович, завідувач кафедрою теоретичної механіки Одеської національної морської академії.

Провідна установа: Національний університет імені Тараса Шевченка Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться 01.07.2005 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .051.01 в Одеському національному університеті ім. І. І. Мечникова за адресою:

65026, м. Одеса, вул. Пастера, 27, Велика фізична аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеського національного університету ім. І. І. Мечникова за адресою: 65026, м. Одеса, вул. Преображенська, 24.

Автореферат розісланий 01.06. 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

Федчук О.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток нових галузей енергетики, металургії та хімічної промисловості, ракетобудування, транспорту пред’являє підвищенні вимоги до конструкційних матеріалів, здатних працювати при високих температурах та великих механічних навантаженнях.

При цьому актуальною завдачою є дослідження високотемпературного тепломасообміну (ТМО) та кінетики окислення найбільш тугоплавкого металу–вольфраму, який широко застосовується в металургії, техниці, медицині, приладобудуванні. Особливий інтерес полягає в вивченні фазових перетворень на поверхні вольфрама та його окислів при високих температурах. Оксиди вольфрама використовують в якості чутливих сенсорів (для визначення льотучих углеводородів). Одним з методів отримання оксидів металів є контрольоване окислення металевого дротику, який нагрівається електричним струмом, в повітрі.

Вивченню процесів окислення металів, їх запалювання та горіння присвячено велику кількість робіт. Але в спеціальній літературі недостатньо повно вирішені задачі про вплив випромінювання і конвекції на стійкі високотемпературні режими окислення вольфраму, критичні параметри (розмір та форма зразків, товщина оксидної плівки, потужність ініціюючого джерела, концентрація окислювача), що визначають переходи в високо- та низькотемпературні стани. Мало вивчено питання про вплив фазових переходів (сублімація, випаровування оксидів), стефанівської течії, що виникає внаслідок хімічних і фазових перетворень, на характеристики високотемпературних станів та критичні режими запалювання і потухання вольфрамових зразків різних форм (дротики, частки) в газоподібному окислювачі.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалась у межах науково-дослідницької роботи кафедри теплофізики Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова та науково-дослідницької лабораторії №5 “Високотемпературні процеси в дисперсних системах” згідно держбюджетним темам №250 “Дослідження теплофізичних та електрофізичних явищ в аеродисперсних системах при фазових та хімічних перетвореннях” (номер держреєстрації 0101U008288), № 319 “Дослідження високотемпературних та гістерезисних режимів тепломасообміну твердих тіл з газами при хімічних та фазових перетвореннях” (номер держреєстрації 0103U003776) на замовлення Міністерства освіти і науки України.

Мета роботи: 1) виявлення механізмів та встановлення закономірностей впливу фазового переходу (випаровування оксидної плівки), вимушеної та природньої конвекцій, стефанівської течії, тепловтрат випромінюванням до стінок реакційної установки, концентрації окислювача на характеристики високотемпературного окислення та критичні режими запалювання і потухання вольфрамових зразків різної форми (дротики, частки) та розмірів; 2) фізико-математичне моделювання вказаних процесів та явищ, необхідне для вирішення прикладних задач.

Об’єкт дослідження: вольфрамові зразки різної форми (сфера, циліндр), які нагріваються в повітрі з різним вмістом кисню.

Предмет дослідження: високотемпературне окислення і тепломасообмін металевих дротиків та часток з урахуванням випаровування оксидної плівки, випромінювання, конвекції та стефанівської течії на їх поверхні.

Методи дослідження: для вивчення високотемпературного тепломасообміну і окислення металевих дротиків в роботі використовується електротермографічний метод та метод визначення температури за допомогою комп’ютерної обробки цифрового зображення об’єктів дослідження. В теоретичній частині роботи використано методи комп’ютерного моделювання фізичних процесів з застосуванням системи символьної математики MATLAB.

Наукова новизна:

1. На основі експериментальних досліджень та фізико-математичного моделювання вперше встановлено закономірності впливу випаровування оксидної плівки на гістерезисні та критичні режими окислення вольфрамових дротиків, що нагріваються електричним струмом. Доказано суттєвий вплив випаровування на критичні параметри потухання та умови виродження критичних режимів в області великих діаметрів зразків. Встановлено появу максимуму на залежності товщини оксидного шару від часу окислення вольфрамового зразка.

2. Вперше встановлено, що знехтування в теоретичних моделях тепловтратами випромінюванням до стінок реакційного устрою приводить до появи такого інтервалу діаметрів провідника, для якого неможливо здійснити критичні режими потухання. Для діаметрів провідника нижче та вище цього інтервалу існують критичні переходи з високотемпературного режиму окислення на низькотемпературний при зниженні сили струму.

3. Вперше розроблена фізико-математична модель високотемпературного окислення та тепломасообміну металевих часток в газі з урахуванням стефанівської течії на їх поверхні, використання якої дало змогу встановити суттєвий вплив стефанівської течії на період індукції, час і температуру горіння вольфрамових часток, критичні діаметри та товщини оксидної плівки, які характеризують їх запалення і потухання в нагрітому газі.

4. Розроблена та застосована методика вимірювання температурного поля за допомогою комп’ютерної обробки цифрового зображення нагрітих до свічіння рухомих та нерухомих об’єктів дослідження.

5. Експериментально визначені критичні значення сили струму, при яких здійснюються високотемпературні стани вольфрамових провідників різних геометричних розмірів. Доказано значне зростання критичних значень сили струму при збільшенні діаметру провідника.

6. Встановлено вплив просторової орієнтації вольфрамового дротика відносно напряму природньої конвекції та вимушеного потоку на критичні параметри запалення і час переходу до високотемпературного стану. Доказано, що у відсутності вимушеного потоку повздовжнє розташування дротика значно покращує умови переходу до високотемпературного стану, а саме, зменшується час переходу та критичні значення сили струму.

Достовірність результатів і висновків грунтується на використанні сучасних методик теоретичних та експериментальних досліджень з оцінкою похибок вимірів та добрим погодженням результатів, отриманих теоретично і експериментально.

Практичне значення отриманих результатів. Результати проведених досліджень розширюють знання про механізм та закономірності впливу фазових переходів, випромінювання та конвекції на високотемпературне окислення вольфраму. Отримані результати можуть бути використовані в металургії при розробці легіруючих металів та стійких до механічних навантажень матеріалів, в порошковій промисловості, в радіотерапії та медицині, в авіа- та ракетобудуванні, в приладобудуванні. Запропоновані фізико-математичні моделі, методики досліджень аналізу впливу різних механізмів тепломасообміну та режимних параметрів на високотемпературні стани можуть бути використовані для вивчення окислення інших металів.

Особистий внесок здобувача. Проведення експериментальних досліджень та їх обробка. Аналіз впливу фазових переходів, конвекції, теплообміну випромінюванням, стефанівської течії на стійкі та критичні режими тепломасообміну та окислення металевих дротиків і часток.

Апробація роботи. Результати роботи були представлені на конференції “Природні та антропогенні аерозолі” (Санкт-Петербург, Росія, 2001); XIX, XX, XXI конференціях країн СНД “Дисперсні системи” (Одеса, Україна, 2000, 2002, 2004); IX міжнародній науково-технічній конференції по проблемам технічної хімії (Казань, Татарстан, 2002); XI науковій конференції вчених України, Білорусі, Росії “Прикладні задачі математики та механіки” (Севастополь, Україна, 2002); XX міжнародній науковій конференції по інженерним питанням та охорони навколишнього середовища (Ополе, Польща, 2002), II міжнародній конференції “Фізика рідкої речовини: Сучасні проблеми” (Київ, 2003), 5му Мінському міжнародному форумі по тепломасообміну (Мінськ, 2004), 23й міжнародній американській аерозольній конференції (Atlanta, Georgia, 2004). Результати роботи доповідались та обговорювались на семінарах кафедри теплофізики Одеського національного університету.

Публикації. По матеріалам дисертації опубліковано 18 робіт у міжнародних та регіональних наукових журналах і збірниках тез конференцій.

Структура і об’єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку літературних джерел з 118 найменувань. Загальний об’єм дисертації складає 148 сторінок, містить 49 рисунків, 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовані актуальність дисертаційної роботи, наукова та практична цінність отриманих результатів, сформульована її мета, основні положення, які подаються до захисту.

У першому розділі проведено огляд літератури по окисленню вольфраму та властивостям цього металу і його окислів в широкому інтервалі температур. Аналізується стан проблеми про роль фазових переходів, випромінювання, стефанівської течії в процесах високотемпературного тепломасообміну та хімічного перетворення металевих і вуглецевих часток в газі. На основі літературного огляду сформульовані мета та задачі досліджень.

У другому розділі дисертації описані експериментальні установки, методики проведення експериментальних досліджень та визначення похибок, аналізуються результати експериментальних досліджень високотемпературного окислення вольфрамових дротиків та часток.

Температура дротику, який нагрівався електричним струмом, розраховувалась із залежності його питомого опору від температури. Електротермографічний метод дозволяє вимірювати температури металевих дротиків в широкому інтервалі її значень. В області високих температур (>1100 К) температура вольфрамових дротиків вимірювалась незалежними методами оптичної пірометрії та комп’ютерної обробки цифрового зображення. Спостерігається добре погодження результатів вимірів з використанням цих методів. Окрім того, розроблений нами метод безконтактного визначення температурного поля на основі комп’ютерної обробки цифрового зображення випромінюючих об’єктів дослідження дав змогу визначити розподіл температури повздовж вольфрамового дротику і температуру рухомих вольфрамових часток.

За допомогою отриманих експериментальних часових залежностей температури вольфрамового дротику встановлено послідовність стадій його окислення та тепломасообміну з газом. Перша стадія стадія інертного нагрівання дротика до температури, яка визначається джоулевим тепловиділенням і тепловтратами молекулярно-конвективним шляхом до оточуючого газового середовища. На другій, найбільш продовженій стадії, на поверхні дротику розпочинаються процеси окислення вольфраму з утворенням твердої оксидної плівки, в результаті чого температура дроту зростає до температури плавління оксиду. Завершаюча третя стадія характеризується плавлінням оксидної плівки, її випаровуванням, інтенсивним окисленням вольфраму та перегоранням дротику.

Експериментальним шляхом для різних діаметрів вольфрамових дротиків визначені критичні значення сили струму, при яких спостерігається перехід процесів тепломасообміну та окислення до високотемпературного режиму.

В цьому ж розділі представлені результати експериментальних досліджень впливу природньої та вимушеної конвекцій на характеристики високотемпературного окислення вольфрамових провідників при різній просторовій орієнтації їх відносно напряму швидкості руху повітряних мас. Результати експериментів добре погоджуються з теоретичними розрахунками.

Експериментальні термограми для вольфрамового дроту з геометричними розмірами =70 мкм, =8 см і силі струму =1.15 А показали, що в умовах природньої конвекції при повздовжньому його розташуванні відносно гравітаційних сил час виходу на високотемпературний режим тепломасообміну зменшується практично в 2 рази. Цей факт можна пояснити тим, що у випадку природньої конвекції внаслідок виштовхуючої сили для вертикально розташованого дротика по всій його довжині існує тепловий прошарок, в результаті чого тепловтрати до холодного газу зменшуються, особливо в його верхній частині і перегорання відбувається ближче до верхнього контакту. У випадку горизонтального розташування дротику його перегорання відбувається переважно по центру. При вимушеному потоці повітря ситуація змінюється на протилежнураніше перегорає горизонтально розташований дротик, так як збільшується площина його омивання холодним потоком. Встановлено, що в умовах природньої конвекції критичні значення сили струму, при якому здійснюються високотемпературні стани для вертикально розміщеного дротика менші, чим для горизонтального.

В роботі проведені експериментальні дослідження впливу теплообміну випромінюванням вольфрамового дротика зі стінками реакційної камери на час існування високотемпературного стану дротика. Для зменшення тепловтрат випромінюванням провідник розташовувался в фокусі циліндричного дзеркала. Отримано, что перегорання дротику =210 мкм, =10 см при силі струму =4.5 А у відсутності тепловтрат випромінюванням відбувається на 20 с раніше. Провідник =70 мкм при силі струму =1.05 А в аналогічних умовах перегорає на 10 с раніше. Таким чином, збільшення діаметру дротика приводить до зростання впливу теплообміну випромінюванням, що пов’язано з ростом випромінюючої поверхні.

У третьому розділі запропонована фізико-математична модель тепломасообміну та окислення вольфрамового провідника, що нагрівається електричним струмом, з урахуванням випаровування оксидної плівки з його поверхні.

Рівняння теплового балансу має вигляд:

, . (1)

Зміна товщини окисної плівки з урахуванням її випаровування описується рівнянням:

, , (2)

, , , (3)

, , (4)

, , (5)

, , (6)

, (7)

де , , – питома теплоємність, коефіцієнт теплопровідності та густина вольфраму; , , ; , , – температура частки, газу та стінок реакційного устрою, К; – товщина оксидної плівки, м; – відносна масова концентрація кисню в повітрі, =0.23 при =105 Па; – тепловий ефект реакції, ; Nu, Sh – критерії Нуссельта, Шервуда; – коефіцієнт дифузії кисню через плівку окислу, ; – енергія активації, ; – коефіцієнт теплообміну, ; , – коефіцієнт теплопровідності та густина газу, , ; степінь чорноти оксидної плівки; - питомий опір при температурі Т0=273 К, Омм; –температурний коефіцієнт опору, ; сила струму, А; – питома теплота пароутворення, ; , – швидкості наростання та випаровування оксидної плівки, ; , , , – густини теплових потоків конвекцією, випромінюванням, до контактів та на випаровування оксиду, ; , густини хімічного та джоулева тепловиділення, .

Рівняння (1)-(7) описують високотемпературний тепломасообмін і кінетику окислення металевих дротиків при нагріванні їх електричним струмом.

На рис. 1 представлені результати розрахунків по даній фізико-математичній моделі для вольфрамового дротика, який нагрівається електричним струмом в середовищі кисню в порівнянні з експериментальними даними. Коректність побудованої моделі забезпечується добрим погодженням результатів теоретичних та експериментальних досліджень.

Рис.1. Часові залежності температури вольфрамового провідника (а) та товщини окислу на його поверхні (б) при потужності електричного струму =106,410-4 Вт/м2. =50 мкм, =7 см, =1, швидкість обдуву провідника =0.13 м/с. 1 – з врахуванням, 2 – без врахування тепловтрат на випаровування оксидної плівки; ооо – експериментальні дані [1] Мержанов А.Г. Тепловая теория воспламенения частиц металлов // Ракетная техника и космонавтика. – 1975. – Т.13, №2. – С.106-112.

Без врахування тепловтрат на випаровування оксиду температура дротика зростає, досягає максимального значення, потім зменшується внаслідок збільшення товщини оксиду (рис.1, крива 2). При досягненні товщиною оксидної плівки критичного значення відбувається затухання реакції окислення на поверхні провідника, внаслідок зменшення густини хімічного тепловиділення. Врахування випару оксиду приводить до появи макcимуму на залежності (крива 1), так як швидкість випаровування плівки при певних температурах починає перевищувати швидкість її утворення.

Із умови теплової рівноваги знайдемо залежність сили струму від стаціонарної температури провідника, яка визначає стійкі та критичні режими його окислення і тепломасообміну з газовим середовищем:

. (8)

Розрахована по формулі (8) залежність представлена на рис.2. Екстремуми на кривій характеризують критичні режими запалення дротику (т. -максимум) та потухання (т.-мінімум) при відповідно критичних значеннях сили струму та . Крива до т. -область низькотемпературного окислення дротику. Щоб перевести дротик із заданою початковою товщиною оксидної плівки до високотемпературного стану, необхідно збільшити силу струму до значення, обумовленого т., у якій загальний теплоприхід до дротика за рахунок джоулева і хімічного тепловиділення максимально перевищує тепловтрати в газ, до стінок і через кінці дротика до контактів. Для всіх значень сили струму дротик із заданою буде запалюватися і переходити в стійкий високотемпературний стан. Для того, щоб перевести дротик з високотемпературного стану в низькотемпературний, потрібно зменшити значення сили струму до величини . Запалювання дротика силою струму в інтервалі може також відбуватися, якщо його початкова температура вища значення, що лежить на кривій між точками та для відповідного значення . Таким чином, спостерігається гістерезисна поведінка температури дротика в залежності від сили струму, що нагріває його. Область гістерезису обмежується критичними значеннями та . Критичні режими нестійкі і визначають переходи з низькотемпературного стану до високотемпературного і навпаки. При значеннях сили струму запалювання дротика неможливо ні при яких значеннях його початкової температури.

Рис.2 демонструє, що випар оксиду приводить до збільшення критичного значення сили струму, що характеризує потухання провідника , і значного зменшення температури горіння (крива 2). |

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

Рис.2. Залежність для вольфрамового провідника =70 мкм, =10 см, ==288 K; =0.4 мкм;

1– без врахування випаровування, 2–з врахуванням випаровування WO2; ооо –наші експериментальні дані. |

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 перегинувідбувається 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-математичних моделях 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.

У четвертому розділі досліджується вплив стефанівської течії на характеристики тепломасообміну та окислення вольфрамових часток. Встановлено, що період індукції з урахуванням стефанівської течії зростає в результаті збільшення продовженності стадії хімічного розігріву. Доказано, що у відсутності тепловтрат на випаровування з урахуванням стефанівської течії температура горіння збільшується, що приводить до зменшення часу існування високотемпературної стадії тепломасообміну.

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.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

СПИСОК ДРУКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Калинчак В.В., Орловская С.Г., Грызунова Т.В., Копыт Н.Н. Высокотемпературное окисление металлов с учетом теплообмена излучением // Физика горения и взрыва.-2002.-Т.38, №2.-С.42-48.

2. Калинчак В.В., Орловская С.Г., Грызунова Т.В. Устойчивые и критические режимы высокотемпературного окисления вольфрамового проводника в воздухе // Теплофизика высоких температур.-2003.-Т.41, № 3.-С.465-469.

3. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В., Копыт Н.Н. Высокотемпературный тепломассообмен и кинетика окисления металлической частицы в воздухе // Химическая физика.-2004.-Т. 23, №3.-С.49-55.

4. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В., Каримова Ф.Ф. Влияние испарения оксидной пленки на высокотемпературное окисление вольфрамовой частицы в воздухе с различным содержанием кислорода // Физика аэродисперсных систем.-2002.-Вып.39.-С.69-76.

5. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В. Высокотемпературное окисление вольфрамового проводника с учетом теплообмена излучением // Физика аэродисперсных систем.-2003.-Вып.40.-С.150-161.

6. Калинчак В.В., Орловская С.Г., Копыт Н.Н., Грызунова Т.В. Горение и самопроизвольное потухание фрикционных искр // “Дисперсные системы” XIX научная конференция стран СНГ.-Одесса, 25-29 сентября 2000.-С.81-82.

7. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В. Устойчивые и критические режимы высокотемпературного окисления вольфрама // Материалы конференции “Естественные и антропогенные аэрозоли”.- Санкт-Петербург, 24-27 сентября 2001.-С.19-20.

8. Калинчак В.В., Орловская С.Г., Грызунова Т.В., Копыт Н.Н. Критические режимы тепломассообмена металлических частиц с воздухом при учете теплообмена излучением // Материалы конференции ”Естественные и антропогенные аэрозоли”.- Санкт-Петербург, 24-27 сентября 2001.-С.14-15.

9. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В., Черных К.В. Влияние испарения оксидной пленки на высокотемпературный тепломассообмен вольфрамового проводника в окислительной среде //IX Международная научно-техническая конференция по проблемам технической химии.-Казань, Татарстан, 26-28 сентября 2002.- С.26-28.

10. Грызунова Т.В., Орловская С.Г., Калинчак В.В. Гистерезисные и критические режимы высокотемпературного окисления вольфрамовой частицы //XX Miкdzynarodowa Konferencja Naukowa “Inїynieria Procesowa w Ochronie Srodowiska”.- Opole, 2002. -P. 44-47.

11. Грызунова Т.В. Высокотемпературное окисление вольфрамового проводника с учетом испарения оксидной пленки // “Дисперсные системы” XX научная конференция стран СНГ.- Одесса, 23-27 сентября 2002 .- С. 81-82.

12. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В., Каримова Ф.Ф., Черных К.В. Влияние фазовых переходов на критические и устойчивые режимы окисления вольфрамового проводника в воздухе // “Дисперсные системы” XX научная конференция стран СНГ.- Одесса, 23-27 сентября 2002 .- С. 215-216.

13. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В., Черных К.В. Гистерезисные и критические режимы высокотемпературного окисления вольфрамового проводника в воздухе. // Материалы XI международной научно-практической конференция ученых Украины, России, Белоруссии “Прикладные задачи математики и механики”.-Севастополь, Украина, 16-21 сентября 2002. -С.222-226.

14. Грызунова Т.В., Орловская С.Г., Калинчак В.В., Каримова Ф.Ф., Спиридонов А.В. Влияние различных механизмов теплообмена на высокотемпературное окисление вольфрама // “Дисперсные системы” XXI научная конференция стран СНГ.- Одесса, 20-24 сентября 2002 .-С. 94-95.

15. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В., Гуляйко И.Н. Влияние стефановского течения на критические режимы окисления вольфрамовой частицы //“Дисперсные системы” XXI научная конференция стран СНГ.-Одесса, 20-24 сентября 2002.- С. 224-225.

16. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В. Влияние теплообмена излучением и испарения окисной пленки с поверхн ости вольфрамового проводника на его высокотемпературное окисление // 5й Минский международный форум по тепло-и массообмену, 24-28 мая 2004. -С.322-323.

17. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В., Калинчак А.И., Кирмикчи М.И. Влияние стефановского течения на горение и самопроизвольное потухание вольфрамовых частиц // 5й Минский международный форум по тепло- и массообмену, 24-28 мая 2004. -С.320-321.

18. Orlovskaya S. G., Kalinchak V. V., Gryzunova T. V. and Karimova F. F. High temperature heat and mass transfer of oxidizing tungsten particle with account of stefan flux // 23nd Annual AAAR Conference, Atlanta, Georgia. October 4-8, 2004. - Р. 230.

АНОТАЦІЯ

Гризунова Т. В. “Високотемпературний тепломасообмін при протіканні хімічних реакцій та фазових переходів на поверхні вольфраму металів та його оксидів”- Рукопись.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.14- теплофізика та молекулярна фізика. Одеський національний університет ім.І.І. Мечникова, Одеса, 2005.

роведено аналіз високотемпературнирежимітепломасообміну та окислення вольфрамового дротика, що нагрівається електричним струмом. Доказао, що з врахуванням тепловтрат на випаровування оксидної плівки зростають критичні значення сили струму, що характеризують потухання провідника, а на часовій залежності товщини оксидної плівки спостерігається максимум. Встановлено, що існує такий інтервал діаметрів дротика, для якого неможливо знехтувати тепловтратами випромінюванням при аналізі стійких та критичних режимів окислення. Доказано, що в умовах природньої конвекції раніше відбувається перехід в високотемпературний стан вертикально розташованого провідника відносно напряму руху повітряних мас. В потоці ситуація змінюється на протилежну. Вивчено механізм виникнення стефанівської течії на поверхні частки вольфрама, що окислюється. Встановлено, що врахування стефанівської течії призводить до зростання періода індукції, температури горіння та зменшення часу горіння частки.

Ключові слова: провідник, частка, високотемпературний тепломасообмін, окислення, критичні умови, випаровування, випромінювання, стефанівська течія, природна та вимушена конвекція.

АННОТАЦИЯ

Грызунова Т. В. “Высокотемпературный тепломассообмен при протекании химических реакций и фазовых переходов на поверхности вольфрама и его оксидов”- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика Одесский национальный университет им. И. И. Мечникова, Одесса, 2005.

роведен анализ высокотемпературных режимов тепломассообмена и окисления вольфрамового проводника, нагреваемого электрическим током. Доказао, что с учетом теплопотерь на испарение оксидной пленки увеличиваются критические значения силы тока, характеризующие потухание проводника, а на временной зависимости толщин оксидной пленки наблюдается максимум. Установлено, что существует такой интервал диаметров проводника, для которого нельзя пренебречь теплопотерями излучением при анализе устойчивых и критических режимов окисления. Доказано, что в условиях естественной конвекции раньше осуществляется переход в высокотемпературное состояние вертикально расположенного проводника относительно направления движения воздушных масс. В потоке ситуация меняется на противоположную. Изучен механизм возникновения стефановского течения на поверхности окисляющейся частицы вольфрама. Установлено, что учет тефановского течения приводит к увеличению периода индукции, температуры горения и уменьшения времени горения частицы.

Ключевые слова: проводник, частица, высокотемпературный тепломассообмен, окисление, критические условия, испарение, излучение, стефановское течение, естественная и вынужденная конвекция.

ABSTRACT

Gryzunova T.V. “High temperature heat and mass transfer during chemical reactions and phase transitions on tangsten and its oxide surfaces.” –Manuscript.

The Thesis for the scientific degree of Candidate of science in Physics and Mathematics on speciality 01.04.14-thermofhysics and molecular physics. I. I. Mechnikov Odessa National University, Odessa, 2005.

An analysis was fulfilled of high temperature modes of heat and mass transfer during oxidation of tungsten filament heating by electric current. It was established that account of oxide film evaporation heat loss led to increase of critical current values corresponding to filament extinction and to decrease of oxide film thickness defining tungsten particle ignition and extinction. Critical values of electric current were defined corresponding to transitions between high temperature and low temperatures modes of oxidation. It was shown that without account of radiation heat loss a range of filament diameters existed for which a transition from high temperature mode to low temperature one by means of current diminishing was impossible. It was shown that critical values of electric current were less in case of conductor vertical positioning in comparison with horizontal positioning due to natural convection. A situation is inverse in case of forced convection. It was established that Stefan flux led to increase of critical parameters values defining coincidence of ignition and extinction critical conditions.

Key words: filament, particle, high temperature heat and mass transfer, oxidation, critical conditions, radiation, Stefan flov, induced and natural convection.