ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ім. І.І.МЕЧНИКОВА

СЕМЕНОВ КОСТЯНТИН ІВАНОВИЧ

УДК 536.45

ТЕПЛО - ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ФАКТОРИ ЕВОЛЮЦІЇ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИХ ЧАСТИНОК В ГАЗІ

01.04.14 – теплофізика та молекулярна фізика

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук

Одеса – 2005 р.

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Одеському національному університеті імені І.І.Мечникова Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Калінчак Валерій Володимирович, Одеський національний університет ім. І.І.Мечникова, завідуючий кафедрою теплофізики.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Шевчук Володимир Гаврилович, Одеський національний університет ім. І.І.Мечникова, професор кафедри загальної та хімічної фізики;

доктор фізико-математичних наук, професор

Контуш Сергій Михайлович, Одеська державна академія холоду, професор кафедри фізики.

Провідна установа: Інститут теоретичної фізики
ім. М.М.Боголюбова Національної Академії Наук України,

м. Київ.

Захист відбудеться “23”грудня 2005 р. в _1400___ годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.051.01 Одеського національного університету (65082, м. Одеса, вул. Пастера, 27, велика фізична аудиторія).

З дисертацією можна ознайомиться у науковій бібліотеці Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова за адресою 65082, м. Одеса, вул. Преображенська, 24.

Автореферат розісланий “22 ”листопада 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Федчук О.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Тепло – електрофізичні процесі, які супроводжують еволюцію високотемпературних частинок в газі, викликають постійний інтерес науковців і технологів, оскільки, по-перше, безліч природних і технологічних процесів, таких як проходження метеоритами і космічними кораблями щільних шарів атмосфери, зварювання, диспергування металів, горіння металевих палив та ін. супроводжуються утворенням або вживанням високотемпературних металевих частинок. По-друге, високотемпературні процеси відрізняються досить високою складністю і потребують подальшого вивчення, при цьому такі дослідження зручніше проводити при використанні поодиноких частинок сферичної форми. В даній роботі для дослідження таких процесів обрані частинки з ряду технічно важливих металів (W, Mo, Ta і Cu), що мають різні властивості – температуру плавлення, роботу виходу електрону та ін. Найменш вивченою є еволюція частинок з початковою температурою, яка перевищує температуру плавлення металів, коли частинка утворює біля себе досить густу конденсовану дисперсну фазу (КДФ), що складається з продуктів конденсації речовини частинки і її сполук з складовими навколишнього газу. В спеціальній літературі відсутні надійні дані з концентрації КДФ та зміни температури частинок діаметром 200 – 300 мкм і початковою температурою 2500 К – 4000 К, при їх русі в різних газах при атмосферному тиску. Відсутні коректні дані по заряду частинок. Модель зарядного обміну не описувала спостережуваної залежності заряду частинок від температури. Недостатньо повно також представлено розуміння механізму формування частинок в електричній дузі (зручному методі отримання сферичних частинок металів з початковими температурами аж до температури кипіння металів), що не давало можливості достатньо точно визначати і завдавати початкові параметри частинок, необхідні для проведення досліджень.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в Проблемній лабораторії фізики аеродисперсних систем, Інституті горіння і нетрадиційних технологій, на кафедрі теплофізики, в лабораторії фізики і хімії низькотемпературної плазми Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова при підтримці Міністерства освіти і науки України в рамках науково-дослідних держбюджетних тем: №326 “Дослідження фізичних основ утворення і розвитку дисперсних систем при зміні середовища процесами переносу” (2003-2005 № ДР 0103U003792); №158 “Дослідження взаємодії в повітрі кластерно-іоного середовища з різними високотемпературними металами” (2000-2002 № ДР 0100у001496); №705 “Дослідження взаємодії в повітрі кластерно-іонних середовищ з різними металами” (1997-1999 № ДР 0197Н014862); №566 “Тепло-електрофізика взаємодії високотемпературних частинок металів з різноманітними середовищами” (1994-1996 № ДР 0194Н023790); №742 “Розробка тепло-, електрофізичних аспектів формування матеріалів з новими фізико-хімічними властивостями на основі монодисперсних металевих частинок” (1997-1999, наказ ОДУ №526-18 від 19.04.97). Робота виконувалася також при співпраці з НВО “Тайфун” (Росія, м. Обнінськ) і підтримці INTAS-ESA-99-0138.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було встановлення закономірностей тепло-, масо- і електропереносу в системі „високотемпературна частинка – КДФ” при її русі в газі з температурою 290 К – 300 К і атмосферному тиску. Для її досягнення були поставлені наступні задачі:

1. Виявити механізм формування досліджуваних частинок в імпульсній електричній дузі з метою отримання частинок з відомими, контрольованими і необхідними для досліджень початковими параметрами;

2. Використовуючи сучасні уявлення про механізми електропереносу, розробити адекватну методику експериментального визначення заряду високотемпературних частинок;

3. Одержати експериментальні залежності заряду від температури для частинок з вольфраму, молібдену, танталу і міді та часові залежності заряду та температури;

4. Розробити методи вивчення і визначити концентрацію КДФ;

5. Провести аналіз експериментальних даних, на основі якого виявити закономірності тепло -, масо – і електропереносу в системі „рухома в газі високотемпературна частинка – КДФ”. Виявити причини аномалій світимості (спалахів) частинок.

Об’єкт дослідження – частинки W, Mo, Ta і Cu, одержані в імпульсній електричній дузі, процеси тепло-, масо- і електропереносу, механізм формування частинок в імпульсній дузі.

Предмет дослідження – явища тепло -, масо – і електропереносу в системі “КДФ – високотемпературна частинка” при її формуванні і русі в повітрі і азоті.

Методи дослідження: вимірювання електричного заряду частинок здійснювалося методом відхилення ії в електричному полі; встановлення температури частинок проводилося на основі методів яскравої пірометрії часткового випромінювання, калориметричного і за допомогою методу контрольованого нагріву і охолодження; дослідження КДФ проводилося методами вимірювання екстинції лазерним скануванням і фотореєстрацією, швидкість частинок вимірювалася трековим методом.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що:–

Розвинуто і запропоновано методи дослідження: заряду – по відхиленню частинок в електричному полі; температури – безоб’єктивним пірометром; КДФ – лазерним скануванням рухомих в газі високотемпературних сферичних металевих частинок.–

Розроблено методи дослідження немонотонної залежності температури частинок від часу руху, засновані на контрольованому нагріві і швидкому охолодженні частинок після певного руху у газі.–

Показано, що спалахи частинок з Cu обумовлені як зміною коефіцієнта випромінювальної здатності в результаті появи на поверхні Cu2O, так і нагріванням внаслідок хімічного тепловиділення при утворенні CuO. –

Вперше експериментально визначено залежності електричного заряду від температури частинок W, Mo, Ta і Cu при їх русі в повітрі і азоті; встановлено, що знак надмірного заряду на частинці може бути як позитивним, так і негативним. Встановлено конфігурацію і концентрацію КДФ.–

Показано роль різних механізмів тепло- масообміну на окремих етапах еволюції частинки. –

Вперше виявлено фактори, що обумовлюють утворення частинок в імпульсній електричній дузі. Показано, що формуванню частинок сприяє сумісний прояв скін- і пінч- ефектів, зміна дії яких за допомогою контролю струму дуги дає змогу стабілізувати початкові температуру і вектор швидкості частинок.–

Вперше записано рівняння для визначення заряду металевих частинок із урахуванням залежностей роботи виходу від температури та концентрації електронів у КДФ від ії концентрації.

Практичне значення одержаних результатів. Відомості про заряд частинок дає можливість керувати ними електричним полем, проводити виборчу взаємодію частинок з іонами різних газів, що може бути застосоване в зварювальних, хімічних і ін. технологіях.

Знайдені закономірності отримання частинок дають можливість повніше використовувати їх як унікальний об’єкт в наукових дослідженнях, а також для виробництва кульок заданих розмірів для різних потреб, екологічно більш чистого, менш енергоємного і трудомісткого, ніж існуючі.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень отримано і оброблене особисто автором, а саме: по формуванню частинок; по вивченню аномалій світимості частинок; по руху частинок в газовому середовищі; по дослідженню КДФ. В спільних роботах по темі дисертації автору належить проведення експериментів по вивченню температури і заряду частинок, параметрів КДФ, деякі аспекти розвитку моделі зарядного обміну в системі високотемпературна частинка – КДФ. Здобувач брав участь в отриманні і обговоренні всіх сумісних результатів і написанні на їх основі статей.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на Всеукраїнській і міжнародної конференціях “Проблеми горіння, балістики і механіки зіткнень” (1996, 2001); Міжнародних конференціях країн СНД “Дисперсні системи” (2000, 2002, 2004); European Conference Aerosols (2003, 2004); 2—й International Conference: Physics Liquid Matter: Modern Problems (Kyiv, 2003); 4—й International Conference Aerosols (Los-Angeles, USA. 1994); 14—й Every years Conference American Association Aerosol researches (Pittsburg, USA. 1995); International Conference “Dusty plasma and арplications” (Odessa, Ukraine. 2004).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 25 друкарських робіт, з них в статтях наукових журналів – 5, в тезах конференцій – 19, в авторських свідоцтвах – 1.

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів, висновків, списку літератури, яка цитується, з 111 найменувань на 11 сторінках; об’єм роботи 149 сторінок, з них 138 сторінок основного тексту, 39 ілюстрацій і 2 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, визначена мета досліджень, перераховані задачі, необхідні для досягнення поставленої мети, описані об’єкт і предмет дослідження. Показані особистий внесок здобувача в роботу і зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Представлена новизна одержаних результатів, та можливе використання.

У Розділі 1 на підставі огляду літератури показано, що еволюція системи, що вивчається, великою мірою визначається високою температурою частинки, розрахунок якої ускладнюється аномаліями світимості (спалахами) частинок при їх русі в повітрі. Спалахи можуть бути пов’язані як з різкою зміною коефіцієнта випромінювальної здатності поверхні частинки, так і з проходженням екзотермічних хімічних реакцій в її об’ємі. Показано, що в існуючих літературних джерелах не приведено чіткої інтерпретації взаємозв’язку спалахів і температури остигаючих в повітрі частинок.

На підставі літературних даних показано, що основним процесом, сприяючим появі потоків заряду в досліджуваній системі, є термоемісія електронів. Показано також, що наявна розрахункова модель обміну в системі частинка – КДФ не описує всіх особливостей зарядного обміну. Одним з чинників невідповідності є відсутність в моделі адекватного віддзеркалення масообміну, що приводить до появи КДФ і впливає на концентрацію вільних зарядів в оточенні частинки. Концентрація КДФ в знайдених літературних джерелах обчислювалася на підставі сферичної симетрії її локалізації біля частинки, що не було підтверджено експериментально.

Показано, що механізм формування частинок в імпульсній дузі раніше не був розкритий достатньо для можливості якісного проведення експериментів.

У Розділі 2 приведені критерії, по яких вибирався той або інший метод визначення відповідних параметрів досліджуваних об’єктів. Розглянутий оптимальний метод отримання високотемпературних металевих частинок з необхідними властивостями. Метод полягає в оплавленні частини циліндричного електроду (дроту), що є анодом, в імпульсній електричній дузі, запалюваній між катодом і анодом, з подальшим відділенням від електроду його оплавленої частини (краплі), тобто високотемпературної сферичної частинки. Катодом служила мідна пластинка. Потужність тепловиділення на аноді була порядку 1011 Вт/м2. Менша потужність приводить до більшого часу оплавлення і, як наслідок, збільшення кількості відведеного тепла за рахунок теплопровідності, що знижує коефіцієнт корисної дії. Більш велика потужність, при меншому часі генерації, приводить до зростання втрат на випаровування у анодній плямі, що також знижує коефіцієнт корисної дії і, крім того, погіршує умови теплообміну в аноді. Розрахунок показав, що превалюючими силами, (див. рис. 1а) діючими на оплавлену частину електроду (краплю), є утримуюча краплю на аноді сила поверхневого натягнення F1=2prsп(Tч)(r/R)1/2 і відриваючі сили: електронного тиску F2=I(2mU/e)1/2 і пінч – ефекту (наслідок закону Ампера) F3, максимальна величина якої F3=(m0mI2/4p)ln(R1/2/r1/2), де r – радіус аноду; sп(Tч) – коефіцієнт поверхневого натягу; Tч – температура оплавленої частини; R – радіус оплавленої частини; I – сила струму дуги; mе , e – маса та заряд електрону, відповідно; U – напруга дуги; m0 – магнітна постійна; m – магнітна проникливість навколишнього середовища. З оцінки зміни величини сил при генерації (див. рис. 1б), випливає, що в кінці імпульсу утримуюча краплю сила слабшає, а сума відриваючих сил зростає. Експериментально показано, що причиною відділення оплавленої частини від електроду, тобто власне утворення частинки, є спільна дія пінч- і скін- ефектів, внаслідок чого при обриві імпульсу струму I сила F3 зростає через перерозподіл струму в краплі (див. рис. 1в, 1г), оскільки електродинамічна сила, що діє на окремий об’єм, пропорційна струму, який по ньому проходить (на рис. 1в, 1г для прикладу виділені квадратами два елементи електроду А, між якими змінюється взаємодія).

Вивчено залежності величини швидкості руху фронту плавлення (межі розділу твердої і рідкої частин електроду) uп від часу t. В результаті встановлено, що для всіх використаних металів uп лежить в межах 0,4-1,8 м/с. Встановлено, що для всіх металів на залежності uп від часу спостерігається максимум, пов’язаний з тим, що на початкових етапах генерації основна частина енергії, що підводиться до електроду А, йде на плавлення частини електроду L (див. рис. 1а), а на кінцевій стадії все більша енергія затрачується на випромінювання. Величина uп не змінювалась при зміні газового середовища (аргон, азот і повітря), що пояснюється малим часом дії дуги, коли теплопровідністю газу і конвекцією можна знехтувати. Одержану залежність було використано при встановлені межі можливих розмірів утворюваних частинок. Проведений аналіз рівняння теплового балансу, яке зв’язує енергію, що підводиться від дуги, джоулево тепловиділення, теплоти, що їдуть на нагрівання і плавлення аноду, випромінювання оплавленої частини аноду, показав, що Тч можна змінювати від температури плавлення до температури кипіння металу, варіюючи параметри генерації.

Було експериментально визначено оптимальні параметри імпульсу струму, що забезпечують мінімізацію нестабільності початкової температури Тн і швидкості частинок. Наприклад, для мідного електроду діаметром 180 мкм при І = 60 А і L рівному 320 мкм краща повторюваність Тн реалізується при t = 300 мкс – 800 мкс. Було встановлено, що для використаних металів імовірність відриву краплі від електроду А відбувається при певних значеннях безрозмірного параметру П1, що дорівнює відношенню величини скін-шару d до 2R, і критерію П2= Rh/ ((F / R – s) tф), де h – динамічна в’язкість металу; F – результуюча сила, що діє на краплю; s?– коефіцієнт поверхневого натягу металу; tф – час заднього фронту імпульсу I (див. рис. 2а). Величина скін-шару визначається як d = (2r / wm0)1/2, де r – питомий опір металу; w – частота, що відповідає часу спаду I. При П1>0,5 величина сили пінч ефекту недостатня для відриву краплі. При П2>1,2 величина сили достатня, але недостатньо часу її дії із-за прояву в’язкості і крапля не встигає відірватися.

Результати генерації в середовищі повітря, аргону і азоту співпадають в межах помилки експерименту. Частинки після відділення від електроду А не мали заряду, оскільки електрод А заземлявся, а відділення краплі від електроду А відбувалося раніше гасіння дуги.

Розроблений в роботі метод швидкісного вимірювання температури безоб’єктивним пірометром часткового випромінювання дозволив вести вимірювання в процесі руху частинок за рахунок безпосереднього попадання випромінювання на фотодатчик. Остигання частинок в повітрі супроводжувалося різким збільшенням світимості, спалахами, що відбувалися за час порядку 10–6 – 10–3 с, і уповільненням, в порівнянні з розрахунковим темпом остигання. Наприклад, для частинки з міді спалахи відбувалися при часі руху приблизно 280 мс і 350 мс, рис. .

Причини спалахів вивчалися на установці, зображеній на рис. 4. Мідна частинка 6 після руху в повітрі (див. рис. 3) і охолодження поміщалася всередину ємності, утвореної кварцовими трубочками 4, 5 і кришками 3. Ємність продувалася інертним газом і могла нагріватися полум’ям 9 пальника 10. Після нагрівання до ~1550 К ємність охолоджувалась. При температурі Тг = 1515 К (зміряною термопарою 8, підключеної разом з 7 до двопроменевого запам’ятовуючого осцилографа 11, рис. 4а) візуально спостерігалися через мікроскоп 2 плівки, що переміщалися на поверхні частинки. Світимість Ф частинки фіксувалася пірометром 1. Плівки світилися більш яскраво, ніж непокрита ними поверхня (див. рис. 4в), при цьому термопара 7, розташована в безпосередній близькості від частинки, підвищення температури Тч не фіксувала. При Тг=1373 К відбувалися дифузні підвищення світимості і підвищення Тч, що свідчить про проходження екзотермічної хімічної реакції в об’ємі частинки, див. рис. 4б, 4 г.

Заряд частинок визначався на підставі вимірювань параметрів траекторії їх руху в однорідному електростатичному полі в експериментальній установці, зображеній на рис. 5. Траєкторія частинки 1 фіксувалася фотоапаратом 2 через обтюратор 3. Частинка 1 рухалася в посудині 4 в електростатичному полі двох плоских паралельних електропровідних стінок, які приєднувалися до високовольтного джерела 5. Посудина 4 наповнювалася вибраним газом з джерела 6 (балон, фільтри, витратомір, кран). При необхідності запобігання попадання повітря в посудину 4, вона нижньою частиною занурювалася в рідину 7, що знаходилася у ванні 8. На початку напуску газу перегородка 9 із стулками 10 знаходилася в нижній частині 4, по мірі напуску газу спрацьовував механізм 11, що приводило до відкриття стулок 10. На кришці 12 встановлювався генератор частинок 13. Температура частинок вимірювалася пірометром 14.

Визначення параметрів КДФ здійснювалося на підставі вимірювань экстінкції КДФ і її форми скануванням колімованим лазерним променем за допомогою дзеркала, що коливається, а також фотографуванням.

У Розділі 3 приведені результати досліджень КДФ, вимірювань температури і заряду, запропонована модель, що описує еволюцію заряду, рух і зміну температури частинок.

Рівняння теплового балансу враховувало тепловиділення за рахунок хімічних реакцій, конвекційний теплообмін, теплообмін випромінюванням, фазові переходи (затвердіння і випаровування). Рішення для мідної частинки без урахування хімічного тепловиділення частково співпадає зі зміряною температурою, див. рис. 3 (дільниця к-l-m). Розрахунок показав, що уповільнення темпу остигання частинок викликається протіканням екзотермічних реакцій, наприклад, для мідних частинок в період 120 – 300 мс відбувається утворення Сu2О, рис. 3а (дільниця l-n). При температурі меншій ніж 1515 К розчин Сu2О в Сu розпадається на Сu і Сu2О, який при більш низькій температурі з’являється на поверхні частинки, оскільки коефіцієнт поверхневого натягу Сu2О меншій ніж Сu, при цьому відбувається мінімізація поверхневої енергії. Коефіцієнт випромінювальної здатності Сu складає 0,15, а Сu2О – 0,7. При цьому зростає яскравість поверхні частинки, тобто при 1515 К відбувається спалах викликаній появою Сu2О на поверхні частинки. При 1373 К, як показав розрахунок теплового ефекту, спалах відбувається при реагуванні розчиненого кисню з Сu2О і утворенні СuО, що узгоджується із спостережуваними ефектами на установці, зображеній на рис. 4а. При побудові температурних залежностей для частинок W, Mo і Ta було враховано, що спалахи при 2560 К (кипіння системи W+WO3), 2460 К (кипіння системи Мо+МоО2), 2500 К (температура кипіння Та2О5) пов’язані з появою на їх поверхні відповідних оксидів з більшою, ніж у металу, випромінювальною здатністю. Це випливає, з того, що спалахи при перерахованих температурах при зменшенні часу руху в повітрі і швидкому остиганні частинки зменшувались по величині, коли вони були пов’язані з проходженням екзотермічної хімічної реакції в об’ємі частинки і не зменшувались, коли були викликані появою плівки на поверхні частинки за рахунок суттєво різної кількості кисню (кількість розчиненого кисню пропорційна часу руху частинки), яка необхідна для прояву цих спалахів. Це, також, узгоджується з тим, що в досліджених інтервалах температур частинки з металів, що мають велику розчинність кисню, більшу за 4% ат., спалахували двічі (Сu і Та), а частинки з металів з поганою розчинністю кисню, меншою за 0,1% ат., – один раз (W і Мо), що можна пояснити в першому випадку хімічним реагуванням розчиненого кисню при падінні температури частинки до температури утворення відповідного з’єднання, наприклад, для міді це СuО. Особливістю було те, що частинки з початковою температурою більшою за 3000 К вельми швидко насичувались киснем, що викликано частковою дисоціацією О2. Атомарний кисень має більший коефіцієнт дифузії в повітрі ніж О2, а лімітуючою стадією насичення є дифузія кисню через повітря.

Розраховано концентрацію КДФ, що ґрунтувалось на експериментально визначеній ії конфігурації (див. рис. 6а), згідно схеми зображеної на рис. 6в з використанням даних по концентрації КДФ на підкладці (див. рис. 6б). Наприклад, для мідної частинки в діапазоні температур 1300 К – 2800 К концентрація КДФ на відстані 100 мкм від поверхні частинки склала 2·107 – 1020 м-3, що було використано при розрахунку заряду частинки.

Експериментально доведено – заряд частинок в повітрі і азоті може бути позитивними чи негативними, рис. 7, що визначається співвідношенням потоків електронів в системі „частинка – КДФ”. Утворення негативного іона молекулярного кисню поблизу частинок при температурі вище 1500 К термодинамічно не вигідне, тому зарядний обмін здійснюється вільними електронами, з цієї ж причини в полі частинок переносу іонів О2 не відбувається. При Тч ~ 3000і вище починається дисоціація молекулярного кисню на атомарний, який має більшій коефіцієнт дифузії, за рахунок чого відбувається швидке насичення частинки киснем, що спостерігається в експерименті.

При побудові рівняння, що описує зарядний обмін, використовувався метод граничної сфери, коли частинка оточується уявною, концентричною їй, сферою, що знаходиться від її поверхні на відстані ширини кінетичної зони l1, рівній довжині вільного пробігу електрону. Передбачається також, що в кінетичній зоні електрони і молекули газу рухаються без взаємних зіткнень, стикаючись лише з поверхнею частинки і граничною сферою. Величина потоку електронів з поверхні частинки, згідно з законом Річардсона–Дешмана, з урахуванням залежності роботи виходу від температури є

І1=4pRч2F(Q) А Т12ехр[– (А 1– DА1)/ k Т1] exp[(– 1/k)(dA1/dT)],

де Q – заряд частинки; F(Q) – коефіцієнт, що визначає ослаблення потоку електронів з поверхні частинки молекулами газу; А – постійна Річардсона; Т1 – температура частинки; А1 – робота виходу електрону з поверхні частинки; DА1 – зменшення роботи виходу, визначуване ефектом Шоткі; k – постійна Больцмана. Необхідність врахування залежності роботи виходу електрону від температури множником exp[(– 1/k)(dA1/dT)] обумовлена тим, що, наприклад, для молібдену A1 в досліджуваному інтервалі температур змінюється на 10%, що в декілька разів змінює I1. Потік електронів на частинку, який, згідно з молекулярною теорією газів, пропорційний концентрації електронів в оточенні частинки сnе, їх середній швидкості uе і площі поверхні частинки визначається І2= pRч2сnе [uе– Y(Q) ] е, де сnе=с[4AT22 exp (–A2/kT2)]/euе; T2 – температура розпаду КДФ; Y(Q)=el1(Q1/2-e1/2Rч/2l1)2(2mekT1)–1/2p–3/2e0–1Rч–2 – функція величини негативного заряду частинки, що враховує гальмування потоку електронів у середині кінетичної зони, де e0 – електрична постійна; Y(Q)=0 при Q і –еRч2/4l12. Коефіцієнт с визначається з рівняння
сnе/n = sе2 ln(1/с)+1/2 при sе2 і 0,2, де sе2 = 4pe0kRкдфTкдф / е2; Rкдф, Tкдф, n – радіус, температура і концентрація частинок КДФ, відповідно. При умові зарядової рівноваги (dQ/dt=0) І1= І2. Без урахування залежності А1 від Т1 температура Т01 при якій Q=0 визначається з

FТ012ехр[– А1)/ kТ01] = cT22 exp (– A2/kT2).

Коли Q < 0 i 0 Ј |Q| Ј е Rч2/4 l12 , то

Q=[4pe0Rчe-3/2kT1ln((–сT22/FT12)exp (A1/kT1–A2/kT2))]2.

При Q < 0, |Q|> е Rч2/4 l12 і припущенні, що D А1=0

Q=[[4pe0Rч2 l1-1e-1 kT2 (1-FT12 с-1 T2 -2exp (A2/kT2–A1/kT1))]1/2+Rч е1/2/2 l1]2

При Т1 < Т2

Q=[[4pe0Rч2 l1-1e-1 kT1 (1-F с-1exp ((A2–A1)/kT1))]1/2 + Rч е1/2/2 l1]2.

Коли Q>0, F=0 i Т1 > Т2, то

Q=4pe0Rчe-1 kT1 ln (F с-1 T12 T2-2exp (A2/kT2–A1/kT1),

При T1 Ј T2 Q=4pe0Rчe-1 kT1[ln(F с-1)+ (A2–A1)/kT1].

Для частинки з міді при температурі більшій ніж ~1900 К потік електронів з КДФ перевищує потік з частинки, тому частинка має негативний заряд, при меншій температурі починає переважати потік з частинки і вона втрачає негативний заряд. Коли інтенсивність термоемісії падає заряд частинки стабілізується. На рис. 7а представлено результати розрахунку заряду по побудованій моделі для мідної частинки. Показано, що експериментальні результати лежать у межах, яки обумовлені розкидом довідкових даних по роботі виходу електрону.

Аналіз моделі еволюції частинки у газі показав, що при зменшені розмірів частинки абсолютна величина її заряду зменшується.

ВИСНОВКИ

1. Виявлено механізм формування високотемпературної металевої частинки в імпульсній електричній дузі з оплавленої частини циліндричного електроду. Вперше показано, що визначальним чинником при формуванні частинки є спільна дія пінч- і скін- ефектів, ступінь прояву яких визначається параметрами імпульсу струму. Встановлені фізичні критерії формування частинки, що визначаються як відношення глибини скін-шару до діаметру частинки, яке відбиває зовнішню, силову складову формування, і відношення часу необхідного для відділення оплавленої частини до часу спаду імпульсу струму, яке враховує властивості речовини частинки. Експериментально показано, що величина першого відношення повинна бути не більше 0,4, другого – 0,85. Результати не відрізнялись при зміні газового середовища, що пояснюється малим часом процесу формування частинки.

2. Розроблено методи контрольованого нагрівання частинок в середовищі інертного газу і їх швидкого охолодження у рідині після певного часу руху в газі, котрі дали змогу достовірно встановлювати які спалахи обумовлені екзотермічними реакціями, що проходять в об’ємі частинок, а які зміною коефіцієнта випромінювальної здатності їх поверхні. Так, для мідних частинок встановлено, що різка зміна світимості при температурі 1515 К пов’язана з появою на поверхні частинки оксиду Cu2O з більшим ніж у міді коефіцієнтом випромінювальної здатності, а при температурі 1370 К – з проходженням хімічної реакції доокислення Cu2O > CuO.

3. З’ясовано, що в досліджуваних інтервалах температур частинки металів, що мають велику розчинність (~4% ат.) кисню, спалахували двічі (Сu і Та), а частинки з металів з малою розчинністю (~0,1% ат.) кисню (W і Мо) – один раз. Тобто для частинок з великою розчинністю кисню відбувається внутрішнє реагування з розчиненим газом при досягненні відповідної температури. Показано, що швидке насичення частинки с киснем відбувається за рахунок дисоціації молекулярного кисню до атомарного, що має більший коефіцієнт дифузії.

4. Вивчено особливості утворення КДФ біля рухомих частинок. Встановлено, що КДФ має конічну форму осьового перетину з розширенням при віддаленні від частинки. На підставі цих даних було вперше проведено розрахунок концентрації КДФ, яка біля мідної частинки при падінні температури від 2800 К до 1300 К змінювалась з 1020 м–3 до 2·107 м–3 .

5. Здійснено вимірювання заряду частинок з Cu, Mo, W, Ta з початковою температурою 2500 К – 4000 К в повітрі та азоті при температурі 290 К – 300 К і атмосферному тиску. Встановлено, що в повітрі знак заряду мідних частинок, діаметром 200 – 360 мкм, що мають температуру більше 2000 К, негативний, при менших температурах – позитивний. В повітрі знак заряду частинок з танталу позитивний, з молібдену і вольфраму – негативний, в азоті знак заряду частинок Cu, Mo, W позитивний. Частинки з Та з температурою вище 3000 К мають негативний заряд, при менший температурі – позитивний. Представлено модель еволюції рухомої в газовому середовищі високотемпературної частинки, на основі якої встановлено, що знак і величина заряду обумовлюються обміном заряду між поверхнею частинки і КДФ, потоки заряду з яких залежать від співвідношень робіт виходу електрона з поверхні частинки і КДФ, а також від її концентрації.

6. Виявлені закономірності утворення і руху частинок в газі, розроблені методи і результати досліджень можуть бути використані при вивченні хімічного реагування металів при високих температурах, коли дослідження існуючими методами надзвичайно важке. Метод отримання частинок також можна рекомендувати для розвитку технологій точного зварювання (керування рухом крапель металу електростатичним полем) і виробництва кульок (з монодисперсністю до 0,03 і несферичністю до 0,01) розміром 50 мкм – 500 мкм, яке менш енерго- і матеріаломістке, екологічно більш чисте, ніж існуючі. При формуванні кульок можливе отримання на їх поверхні певних сполук, наприклад, антикорозійних.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Lyalin L.A., Semenov K.I., Kalinchak V.V. аnd Kopit N.Kh. Termoemission charging of metal particles surrounded with condensed disperse phase// Ukrainian journal of physics. 2005. V. 50. P.157-161.

2. Лялин Л.А., Семенов К.И. Фотоэмиссионная зарядка коллектива аэрозольных частиц// Инженерно – физический журнал. 2002. Т.75. С. 196-200.

3. Корнилов В.Н., Шошин Ю.Л., Альтман И.С., Семенов К.И. Экспериментальное исследование структуры зоны горения и радиационных теплопотерь одиночных частиц магния реагирующих при естественной и вынужденной конвекции// Физика аэродисперсных систем. 2002. №39. С. 109-121.

4. Семенов К.И. Особенности остывания седиментирующих в воздухе высокотемпературных металлических микрочастиц// Физика аэродисперсных систем. 2001. № 38. С. 151-158.

5. Суслов А.В., Лялин Л.А., Семенов К.И. Газоплазменное монодиспергирование металлов умеренной и повышенной тугоплавкости// Инженерно – физический журнал. 1991. Т. 60. С.571-576.

6. Suslov A.V., Trunov M.A., Semеnov K.I. Receiving Micro-Nano Particles in the air// J. of Aerosol Sci. 1993. V 24. P. 479-480.

7. Семенов К.И. Влияние скин- и пинч- эффектов на формирование микрокапель металлов в импульсном разряде// Тезисы докладов Х1Х конференции стран СНГ “Дисперсные системы”. Одесса, 2000. С. 170-171.

8. Semenov K.I., Kalinchak V.V. Features of the condensed disperse phase formed around of a high-temperature metal particle moving in gas// 2nd International conference physics of liquid matter: modern problems. September 12-15, 2003. Kiev, Ukraine. Abstracts. P. .

9. Семенов К.И., Лялин Л.А., Копыт Н.Х., Калинчак В.В. Образование нитрида на поверхности движущейся в газообразном азоте высокотемпературной частицы титана// Тезисы докладов ХХI конференции стран СНГ „Дисперсные системы”.- Одесса, 2004.- С.254-255.

10. Семенов К.И., Кебап Е.В. Измерения электрического заряда движущихся в азоте высокотемпературных сферических частиц металлов// Тезисы докладов ХХI конференции стран СНГ „Дисперсные системы”. – Одесса, 2004.- С.250-251.

Семенов К.І. Тепло-електрофізичні фактори еволюцїї високотемпературних частинок в газі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.14 – теплофізика і молекулярна фізика. – Одеський національний університет ім. І.І.Мечникова, Одеса, 2005р.

Запропоновані методи дослідження и встановлені закономірності формування і еволюції в повітрі і азоті високотемпературних сферичних металевих частинок W, Mo, Ta і Cu діаметром 200 – 300 мкм. Показано, що визначальним чинником при формуванні високотемпературної частки в імпульсному дуговому генераторі є сумісна дія пінч – і скін – ефектів. Встановлено параметри конденсованої дисперсної фази, від залежності температури і заряду частинок від часу, причини спалахів частинок при їх русі у повітрі. Експериментальні значення заряду частинок лежалі в межах від негативного, з абсолютною величиною до 10–13 Кл, до позитивного, величиною 10–13 Кл, при цьому температура частинок лежала в межах 1000 К – 4000 К. Запропонована модель електропереносу, яка дозволила обчислити заряд частинок.

Одержані результати можуть бути використані при наукових дослідженнях високотемпературних процесів, у виробництві кульок, зварювальній технології, порошковій металургії і технологіях спалювання металевих палив.

Ключові слова: теплоперенос, масоперенос, електроперенос, високотемпературна частинка, термоемісія, конденсована дисперсна фаза, заряд частинки.

Семенов К.И. Тепло – электрофизические факторы эволюции высокотемпературных частиц в газе. – Рукопись.

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

Предложены методы исследования и установлены закономерности формирования и эволюции в воздухе и азоте при температуре 290 К – 300 К и атмосферном давлении высокотемпературных сферических металлических частиц из W, Mo, Ta и Cu.

Показано, что определяющим фактором при формировании высокотемпературной частицы в импульсной электрической дуге из цилиндрического металлического проводника является совместное действие пинч- и скин- эффектов, степень проявления которых определяется параметрами импульса тока. Установлены физические критерии формирования частиц: отношение глубины скин-слоя к диаметру частицы и отношение времени необходимого для отделения оплавленной части анода к времени заднего фронта генерирующего импульса тока. Экспериментально показано, что при генерации в использованных газах величина первого отношения должна быть не более 0,4, второго – 0,85. Разработан метод температурного циклирования частиц в среде инертного газа, который позволяет достоверно устанавливать, какие вспышки обусловлены экзотермическими реакциями, которые проходят в объеме частиц, а какие изменением коэффициента излучательной способности поверхности частиц. Так, с помощью предложенного метода, для медных частиц экспериментально установлено, что резкое изменение светимости частицы меди при температуре 1515 К связано с появлением на её поверхности окисла с большим чем у меди коэффициентом излучательной способности. При температуре 1370 К – с прохождением химической реакции доокисления Cu2O до CuO. Установлено, что в исследованных интервалах температур частицы металлов с большой растворимостью кислорода, вспыхивали дважды (Сu и Та), а частицы из металлов с плохой растворимостью кислорода – один раз (W и Мо), то есть в объёме частиц с большой растворимостью кислорода (при 1500 К Сu и Та растворяют около 4% ат. кислорода, W и Мо – менее 0,1% ат.) происходит химическое реагирование с растворенным газом. Установлено, что облако конденсированной дисперсной фазы, образующееся возле частиц, имеет коническую форму осевого сечения с расширением при удалении от частицы, что может быть следствием следа из нагретого газа за частицей. На основании этих данных был проведен расчет концентрации КДФ, которая для медной частицы на расстоянии 100 мкм от неё в диапазоне температур 1300 К – 2800 К составила 2·107 – 1020 м-3.

Представлены результаты измерений заряда частиц из Cu, Mo, W, Ta в воздухе и азоте в интервале температур частиц 1200 К- 3300 К при температуре газов 290 К – 300 К и атмосферном давлении. Установлено, что в воздухе знак заряда частиц из меди диаметром 200 – 360 мкм, имеющих температуру более 2300 К отрицательный, при меньших температурах – положительный, в азоте всюду положительный. В воздухе знак заряда частиц из тантала положительный, из молибдена и вольфрама – отрицательный, в азоте знак заряда всех частиц положительный, за исключением тантала, который имел при температуре выше 3000 К отрицательный заряд. Приведена модель эволюции движущейся в газе частицы. Показано, что знак и величина заряда обусловливаются зарядным обменом между поверхностью частицы и конденсированной фазой, потоки заряда из которых зависят от соотношений работ выхода электрона с поверхности частицы и конденсированной дисперсной фазы, а также от концентрации последней.

Выявленные закономерности образования металлических частиц в дуге, разработанные экспериментальные методы и результаты исследований могут быть использованы при изучении химического реагирования металлов с различными газовыми средами в диапазоне высоких температур, при которых процессы протекают весьма быстро, что крайне затрудняет подобные исследования известными методами. Метод получения металлических частиц в импульсной электрической дуге также можно рекомендовать для развития новой технологии производства шариков размером 50 мкм – 500 мкм, как более экологически чистой и ресурсосберегающей, чем существующие. Шарики могут иметь монодисперсность до 0,03 и несферичность до 0,01. Формирование шариков в различных газовых средах позволяет получать на поверхности частиц определённые соединения.

Ключевые слова: теплоперенос, массоперенос, электроперенос, высокотемпературная частица, термоэмиссия, конденсированная дисперсная фаза, заряд одиночной частицы.

Semenov K.I. Thermo-electrophysical factors of evolution of high temperature particles in gas. – Manuscript.

This is for scientific degree of Philosophy Doctor in physics and mathematics by specialty 01.04.14 – thermоphysics and molecular physics. – Odessa I.I.Mechnikov national university, Odessa, 2005.

Set conformities to the law of forming and evolution in mid air and nitrogen of high temperature spherical metallic particles of W, Mo, Ta, Cu with the diameter 200 -300 mkm. It is shown, that compatible action of pinch- and skin–effect is a determinative at forming of high temperature particle in an impulsive arc generator. The parameters of the condensed dispersion phase are set, from dependence to the temperature and charge of particles from time. The reasons of flashes of particles are certain at their motion in air. The experimental values of charges of high temperature particles changed from –10–13 С tо 10–13 С thus the temperature of particles lay in scopes 1000 К – 4000 К. Offered model of electricity transfer, which allowed to calculate within an order the charge of particles.

Got result can be use at scientific researches of high temperature processes on in production of marbles, welding technology, powder-like metallurgy and technologies of incineration of metallic fuels.

Key words: heat transfer, mass transfer, charge transfer, high temperature particle, thermoemission, condensed dispersion phase, charge of particle.