Электрическая дуга – основа теплотехнических применений плазмы. Часть І. Общие свойства электродуговой плазмы и особенности процессов теплопереноса
В обзорной работе анализируются наиболее важные свойства плазмы электрической дуги с точки зрения ее теплотехнических применений.
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2007
|
| Назва видання: | Промышленная теплотехника |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61260 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Электрическая дуга – основа теплотехнических применений плазмы. Часть І. Общие свойства электродуговой плазмы и особенности процессов теплопереноса / В.А. Жовтянский // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 4. — С. 13-22. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-61260 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-612602014-04-30T03:01:14Z Электрическая дуга – основа теплотехнических применений плазмы. Часть І. Общие свойства электродуговой плазмы и особенности процессов теплопереноса Жовтянский, В.А. Тепло- и массообменные процессы В обзорной работе анализируются наиболее важные свойства плазмы электрической дуги с точки зрения ее теплотехнических применений. В оглядовій роботі аналізуються найважливіші властивості плазми електричної дуги з точки зору її теплотехнічних застосувань. The most important properties of the electric arc plasma are analyzed in this review from the standpoint of industry heat engineering applications. 2007 Article Электрическая дуга – основа теплотехнических применений плазмы. Часть І. Общие свойства электродуговой плазмы и особенности процессов теплопереноса / В.А. Жовтянский // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 4. — С. 13-22. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61260 537.523.5; 553.93 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы |
| spellingShingle |
Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Жовтянский, В.А. Электрическая дуга – основа теплотехнических применений плазмы. Часть І. Общие свойства электродуговой плазмы и особенности процессов теплопереноса Промышленная теплотехника |
| description |
В обзорной работе анализируются наиболее важные свойства плазмы электрической дуги с точки зрения ее теплотехнических применений. |
| format |
Article |
| author |
Жовтянский, В.А. |
| author_facet |
Жовтянский, В.А. |
| author_sort |
Жовтянский, В.А. |
| title |
Электрическая дуга – основа теплотехнических применений плазмы. Часть І. Общие свойства электродуговой плазмы и особенности процессов теплопереноса |
| title_short |
Электрическая дуга – основа теплотехнических применений плазмы. Часть І. Общие свойства электродуговой плазмы и особенности процессов теплопереноса |
| title_full |
Электрическая дуга – основа теплотехнических применений плазмы. Часть І. Общие свойства электродуговой плазмы и особенности процессов теплопереноса |
| title_fullStr |
Электрическая дуга – основа теплотехнических применений плазмы. Часть І. Общие свойства электродуговой плазмы и особенности процессов теплопереноса |
| title_full_unstemmed |
Электрическая дуга – основа теплотехнических применений плазмы. Часть І. Общие свойства электродуговой плазмы и особенности процессов теплопереноса |
| title_sort |
электрическая дуга – основа теплотехнических применений плазмы. часть і. общие свойства электродуговой плазмы и особенности процессов теплопереноса |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Тепло- и массообменные процессы |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61260 |
| citation_txt |
Электрическая дуга – основа теплотехнических применений плазмы. Часть І. Общие свойства электродуговой плазмы и особенности процессов теплопереноса / В.А. Жовтянский // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 4. — С. 13-22. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT žovtânskijva élektričeskaâdugaosnovateplotehničeskihprimenenijplazmyčastʹíobŝiesvojstvaélektrodugovojplazmyiosobennostiprocessovteploperenosa |
| first_indexed |
2025-07-05T12:15:11Z |
| last_indexed |
2025-07-05T12:15:11Z |
| _version_ |
1836809151689261056 |
| fulltext |
лопаточных аппаратов высокотемпературных га;
зовых турбин: Дисс. докт. техн. наук: Санкт;Пе;
тербург, 2005.
11. Маскинская А.Ю. Повышение эффектив;
ности теплообменных аппаратов за счет интен;
сификации теплообмена на поверхности с лунка;
ми: Дисс. канд. техн. наук: М., 2004.
12. Haasenritter A., Weigand B. Optimization
of the rib structure inside 2d cooling channel
// Proceedings of ASME Turbo Expo;50, June
2004. № GT2004;53187, Vienna, Austria,
p.1;10.
Получено 22.03.2007 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4 13
ТЕПЛО0 И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
В оглядовій роботі аналізуються най0
важливіші властивості плазми елект0
ричної дуги з точки зору її тепло0
технічних застосувань. Особливо
відзначено такі важливі властивості еле0
ктричної дуги як висока енергетична
ефективність її технологічних застосу0
вань внаслідок втрат на транспорт елек0
тричної енергії в її каналі та спро0
можність забезпечувати екстремальні
режими в тих чи інших процесах, недо0
сяжні, як правило, при використанні
джерел енергії хімічного типу. Показано,
що визначальний вплив на режими існу0
вання електродугової плазми мають
процеси перенесення тепла.
В обзорной работе анализируются
наиболее важные свойства плазмы эле0
ктрической дуги с точки зрения ее теп0
лотехнических применений. Особо от0
мечены такие важнейшие свойства
электрической дуги как высокая энергети0
ческая эффективность ее технологических
применений вследствие минимальных
потерь на транспорт электрического то0
ка в ее канале и способность обеспечи0
вать экстремальные режимы в тех или
иных процессах, недостижимые обычно
при использовании источников энергии
химического типа. Показано, что опре0
деляющее влияние на режимы сущест0
вования электродуговой плазмы имеют
процессы теплопереноса.
The most important properties of the
electric arc plasma are analyzed in this
review from the standpoint of industry heat
engineering applications. As it is illustrated
the most valuable energy efficiency of the
plasma application in numerous technolo0
gies is reached due to minimal loss of elec0
tric power during its transfer in electric arc
channel. The extreme conditions in tech0
nology processes are immediately avail0
able due to using of electric arc plasma.
They are unattainable often with using of
chemical power supply. As is shown, the
heat transfer is determining factor in prob0
lem of electric arc stable regime existing.
УДК 537.523.5; 553.93
ЖОВТЯНСКИЙ В.А.
Институт газа НАН Украины
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА – ОСНОВА ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ
ПРИМЕНЕНИЙ ПЛАЗМЫ. Часть І. ОБЩИЕ СВОЙСТВА
ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМЫ И ОСОБЕННОСТИ
ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА
a – ускорение частицы;
D – энергия диссоциации;
e – заряд электрона;
E – электрическое поле;
h – постоянная Планка;
i – ток электрического разряда (дуги);
I – энергия ионизации;
k – постоянная Больцмана;
m – масса частицы;
N – концентрация частиц;
p – давление;
P – мощность электрического разряда;
q – тепловой поток;
Q – тепловая энергия;
r – радиальная координата, радиус ;
R – радиус;
S – тепловой потенциал;
T – температура;
u – дрейфовая скорость частицы;
U – напряжение;
Общая характеристика плазменных
технологий
Плазменные технологии, используя электри;
ческую энергию для получения собственно плаз;
мы как рабочего тела в тех или иных технологи;
ческих процессах, легко позволяют достигать
экстремальных состояний вещества и/или про;
цесса, если сравнивать их с возможностями тех;
нологий, использующих наиболее распростра;
ненные первичные источники энергии
химического типа. Вместе с тем, следует иметь в
виду, что в конечном итоге коэффициент преоб;
разования энергетического ресурса в таких про;
цессах по отношению к использованию первич;
ного топлива на электрических станциях
составляет не более 0,25 с учетом эффективности
генерации электрической энергии и потерь на ее
транспортировку потребителям [1 (разд. 3, 26)].
Собственно говоря, указанные рамки предопре;
деляют, в конечном итоге, целесообразность
применения плазменных технологий.
Пугающе малым упомянутый коэффициент
выглядит на первый взгляд, если рассматривать
его с точки зрения энергосбережения (энергоэф;
фективности) в рамках соответствующих физи;
ческих законов. Если же исходить из социально;
экономических интересов (именно эту часть
проблемы отражает существующее законода;
тельство), то ситуация смягчается. Действитель;
но, применительно к настоящей публикации
представляет интерес, в конечном итоге, тепло;
вой эффект от применения источников энергии.
Вследствие радикальных изменений цен на пер;
вичные топливно;энергетические ресурсы по;
следних лет стоимости единицы тепловой энер;
гии, получаемой по их тепловому эквиваленту в
промышленности за счет сжигания газа и за счет
применения электрической энергии, различают;
ся в меньшей мере, составляя в Украине 25,7 и
92,5 грн /ГДж, соответственно. Здесь приняты
стоимость газа для упомянутой категории потре;
бителей 864 грн/1000 м3 и рыночный розничный
тариф на электрическую энергию 0,333 грн /кВт·ч
по состоянию на апрель 2007 года. Это не удиви;
тельно, т.к. стоимость электрической энергии в
значительной степени определяется стоимостью
угля; последняя не подвержена столь значитель;
ным колебаниям, как в случае газа или нефти. В
конечном итоге, такое соотношение предопреде;
ляется тем, что мировые запасы угля в несколько
раз превышают запасы нефти и природного газа.
К тому же месторождения угля достаточно рав;
номерно распределены по странам мира в отли;
чие от месторождений нефти и газа, что обеспе;
чивает стабильность цен на него [2]. Особенно
благоприятно для внедрения плазменных техно;
логий применение дешевой электроэнергии в
ночные часы, тарифный коэффициент для кото;
рой в случае применения тризонного тарифа,
дифференцированного по времени суток [1
(разд. 19)], в настоящее время составляет 0,25.
14 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4
ТЕПЛО0 И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
v – средняя тепловая скорость частицы.
α – степень ионизации плазмы;
λ – коэффициент теплопроводности, длина сво;
бодного пробега;
μ – подвижность частицы;
ν = 1, 2 – характеризует цилиндрическую или сфе;
рическую геометрию, соответственно;
σ – электропроводность плазмы;
τ – характерное время между последовательными
столкновениями частицы;
Σ – статистическая сумма частиц;
χ – множитель Саха;
ω – относительная концентрация частиц отдель;
ного элемента в последовательных зарядо;
вых состояниях;
USD – доллар США.
Индексы верхние:
(z) – заряд частицы.
Индексы нижние:
a – характеризует атомарную компоненту плаз;
мы, в отдельных случаях – указывает на со;
ответствие параметра области электричес;
кой дуги;
e – характеризует электронную компоненту
плазмы;
i – характеризует ионную компоненту плазмы;
m – характеризует молекулярную компоненту
плазмы;
s – сорт частицы (плазмообразующего газа);
w – характеризует состояние охлаждающей стен;
ки.
Это обстоятельство, кстати, особенно ярко пока;
зывает разницу в подходах к энергосбережению
на основе физических представлений и социально;
экономических факторов (см. также [1 (разд. 1)]).
Автор избегает, как правило, терминологичес;
ких обсуждений, поскольку чаще всего за ними
скрывается нежелание рассматривать ту или
иную проблему по существу. Тем не менее, каса;
тельно настоящей публикации необходимы не;
которые предварительные объяснения. Истори;
чески сложившаяся практика (именно она
обычно и является источником некорректных
терминов), например, в электрометаллургии [3]
или же в технике нанесения покрытий [4] вводит
два понятия – электродуговых и плазменных тех;
нологий. Обращает на себя внимание даже фор;
мальная нестрогость такой классификации, т.к.
один класс однородных явлений характеризуется
по виду устройства, применяемого для получения
рабочего тела (электрическая дуга), а второй – по
состоянию вещества (плазма) (см. также [4]). По
существу же в обоих вариантах технологий рабо;
чим телом является плазма, а для ее получения в
последнем варианте применяется плазмотрон.
Однако и в самом плазмотроне для генерирова;
ния плазмы применяется электрическая дуга.
Глубинное различие состоит в том, что в одном
случае применяется дуга с плавящимся электро;
дом, а в другом – с неплавящимся. Внешнее же –
в способе организации плазменного объема. Ес;
ли в обычной дуге плазма локализована между
электродами разрядного промежутка, то в дуго;
вом плазмотроне ее локализация определяется
потоком газа, продуваемого через разряд; приме;
нительно к обсуждаемым здесь применениям она
чаще всего имеет вид струи, истекающей через от;
верстие в аноде. Вот почему мы включаем здесь в
рассмотрение оба класса упомянутых технологий.
Электрическая дуга и преимущества ее
технологических примененений
Электрическая дуга – одна из разновидностей
электрических газовых разрядов, в которых в ре;
зультате приложения напряжения к разрядному
промежутку ионизируется вначале нейтральный
газ и возникает электропроводный канал. Строго
говоря, к дуговым относят разряды, в которых
прикатодное падение потенциала в разрядном
промежутке (являющееся частью напряжения на
дуге U в целом) имеет относительно небольшую
величину порядка потенциала ионизации ато;
мов, т.е. десяти вольт [5]. Причиной названия
стала характерная изогнутая форма, которую
приобретает канал дугового разряда в открытой
атмосфере вследствие всплывания его средней
части под воздействием архимедовой силы. Ду;
говым разрядам свойственны значительные токи
(i ~1…105 А), намного превышающие типичные
токи в других видах разрядов. Например, в также
довольно распространенных тлеющих раз;
рядах токи, как правило, значительно сла;
бее (i ~10–4…10–1 А), а напряжения составляют
сотни вольт. Таким образом, для замыкания даже
килоамперных токов через межэлектродный
промежуток в электрической дуге требуются от;
носительно небольшие напряжения. Другими
словами, дуга обеспечивает эффективный транс;
порт электрической энергии в ее канале.
Тем не менее, в дуге происходит выделение теп;
ловой энергии часто огромной мощности P ~ Ui,
которая может достигать по порядку величины
уровня мегаватт. Именно это обстоятельство с уче;
том ограниченности объема, в котором происходит
энерговыделение (обычно от долей до сотен см3),
предопределяет тот уровень высоких температур,
которые достижимы в обсуждаемых технологиях.
Все же этих преимуществ электрической дуги
было бы недостаточно для ее широкого примене;
ния в отсутствие самоорганизации в плазме дуги
физических процессов, определяющих устойчи;
вость ее существования в достаточно широкой
области параметров. Действительно, например,
высокотемпературная плазма в исследованиях тер;
моядерного синтеза демонстрирует несравненно бо;
лее высокие параметры рабочего тела как по удельно;
му энерговкладу, так и по достижимым температурам.
Тем не менее, едва не каждый шаг в исследовании
этой перспективы энергетического эльдорадо со;
провождается проблемой возникновения и преодо;
ления очередной неустойчивости. Далее кратко ана;
лизируются физические причины устойчивости (а
также их пределы) и энергетической эффективности
технологических применений электрической дуги.
Они, в конечном итоге, обусловлены особенностя;
ми процессов тепло; и массопереноса.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4 15
ТЕПЛО0 И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
В целом, электрическая дуга – уникальный
объект физики и техники плазмы, где совокуп;
ность физических процессов, определяющих ее
свойства, самоорганизована таким образом, что;
бы “обречь” ее на широкие технологические
применения. Она – один из первых искусственно
созданных плазменных объектов, полученный
еще в начале ХІХ века (см. [5]). Упомянутые вы;
ше свойства дуги обусловили ее активное про;
никновение в технологии в том же столетии, на;
иболее известное из которых – электрическая
сварка. При этом оказалось достаточным руко;
водствоваться эмпирически полученной суммой
знаний о свойствах электродуговой плазмы.
К средине ХХ ст. плазма электрической дуги –
уже достаточно исследованный объект физики
плазмы, исходя из концепции ее равновесных
свойств (отсюда широко используемый термин,
характеризующий ее состояние ; “термическая
плазма” [6]). Успехи в исследованиях электродуго;
вой плазмы способствовали значительному рас;
ширению ее технологических применений. О наи;
более устоявшихся из них уже упоминалось. К
менее устоявшимся или перспективным можно
отнести технологии плазменно;водородного вос;
становления оксидов тугоплавких металлов с по;
лучением высокодисперсных порошков [7 (разд.
IV, гл. 1)], плазменные технологии получения угле;
родных наноструктур [7 (разд. IV, гл. 2), 8], розжи;
га и стабилизации горения пылеугольного факела,
термохимической подготовки низкореакционных
топлив на тепловых электростанциях [1 (разд. 30)],
получения синтетических газовых топлив (в част;
ности – водорода) на основе газификации твердых
топлив [9 – 11] и жидких соединений, содержащих
углеродсодержащие вещества [12]. Примечатель;
но, что последовательное применение принципа
получения синтетического газового топлива с ис;
пользованием плазменной конверсии углеродосо;
держащих материалов позволяет создать даже наи;
более экономичные технологии переработки
отходов [7 (разд. II, гл. 1), 13].
Теплофизические свойства равновесной
плазмы
В тех же предположениях идеальности, что и
для обычного газа, уравнение состояния для
плазмы внешне существенно не отличается от
аналога для нейтрального газа и равняется сумме
парциальных давлений компонент, входящих в
состав плазмы:
. (1)
Здесь суммирование в правой части проводит;
ся кроме электронной компоненты также по
всем ступеням ионизации z всех элементов s,
присутствующих в плазме; принято также обыч;
но приемлемое для электродуговой плазмы допу;
щение о равенства кинетических температур ее
частиц. При отмеченном уже сходстве уравнения
(1) с уравнением состояния для идеального газа,
появляются и важные различия. Одно из них –
давление перестает быть линейной функцией от
температуры, т.к. входящие в правую часть (1)
концентрации частиц различных зарядов сами
экспоненциально зависят от температуры. Дей;
ствительно, относительная концентрация частиц
отдельного элемента в последовательных зарядо;
вых состояниях определяется, согласно уравне;
нию Саха [14], следующим образом:
, (2)
где
(3)
– множитель Саха. Присутствующие в (2) ста;
тистические суммы частиц характеризуют число
различных квантовых состояний частицы с за;
данной энергией и зависят от ее возможных
квантовых конфигураций. В обычно приемле;
мых допущениях они кратны единице. Напри;
мер, у инертных газов Σ(0)= 1, Σ(1) = 6 и, соответ;
ственно, в N, O, N2, O2 Σ(0) = 4, 9, 1, 3, а Σ(1) = 9,
4, 2, 4 [5].
Для большинства теплотехнических примене;
ний уравнение Саха (2) можно существенно уп;
ростить, ограничившись рассмотрением первой
кратности ионизации частиц z = 1; в случае так;
( ) ( )χ = π
3/ 2
2
2 2 /
e
kT m kT h
( ) ( )⎡ ⎤χ −⎣ ⎦/ exp( / )
z
e
kT N I kT
( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )+ + +ω = = ∑ ∑z 1 1 1
/ /
z z z z
N N
⎛ ⎞
= +⎜ ⎟
⎝ ⎠
∑ ( )
,
z
e s
s z
p kT N N
16 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4
ТЕПЛО0 И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
×
же одноэлементной плазмы оно принимает про;
стейший вид:
NeNi / Na = Ne
2 / Na = (Σ(1) /Σ(0)) χ (kT) exp (–I/kT) (4)
(здесь и далее опущен верхний индекс для потен;
циала ионизации атомных частиц). Мы не сочли
возможным ограничиться здесь этой – обычной –
формой представления упомянутого уравнения,
т.к. в одной из монографий, посвященной плаз;
менным технологиям, обнаружили утверждение
о приблизительном характере уравнения Саха. В
основу этого утверждения легло предложение
рассмотреть (4) при больших температурах. В
действительности же, таким температурам соот;
ветствует “включение” в процесс ионизации час;
тиц с зарядом z > 1 согласно (2); само же по себе
уравнение Саха является точным, если система
удовлетворяет критериям равновесного состоя;
ния, для которого оно получено.
Одна из особенностей уравнения Саха состоит в
том, что максимальное значение концентрации ио;
нов определенной кратности ионизации Ns
(z +1)
max
достигается при энергетической температуре
плазмы
kT* ~ 0,1Is
(z). (5)
В физике и технике плазмы удобно опериро;
вать с энергетической единицей – электрон;
вольт (эВ). Это естественно, поскольку основ;
ным объектом рассмотрения в плазме на
микроуровне является электрон со свойствен;
ным ему зарядом, а энергия ионизации частицы
выражается через потенциал ионизации – раз;
ность потенциалов, которую должен пройти эле;
ктрон, чтобы приобрести энергию достаточную
для ионизации. Удобно представлять в таких же
энергетических единицах температуру kT. Не;
трудно показать, что одному электрон;вольту со;
ответствует температура 11600 К. Учитывая, что
для большинства атомов I ~ 10…15 эВ, можно
ожидать их максимальной степени однократной
ионизации ω(1)
max при Т ~ 1,5 · 104 К.
Следует подчеркнуть, что подобного рода до;
вольно грубые оценки температур неприемлемы,
однако, если речь идет об анализе процессов в
плазме конкретных технологических установок.
Более того, неприемлемы даже результаты опре;
деления температуры в технологических процес;
сах с внешне безобидной погрешностью ±10%
(часто подобными оценочными расчетами заме;
щают довольно нетривиальную проблему темпе;
ратурной диагностики плазмы). Действительно,
это соответствует неопределенности экспонен;
циального множителя в (4) с учетом оценки (5) в
пределах e–9…e–11 раз, иными словами, результат
определения степени ионизации будет отличать;
ся в e2 раз или почти на порядок величины для
температурного диапазона в пределах отмечен;
ной погрешности.
Равновесный химический состав плазмы (сте;
пени диссоциации молекул, концентрации вновь
образующихся продуктов) также подчиняется
уравнениям, аналогичным уравнению Саха. На;
пример, плотности атомов NA и молекул ,
принимающих участие в реакции диссоциации
А2 ↔ 2А, удовлетворяют соотношению
NA
2 / ~ exp(–D/kT). (6)
Поэтому изложенные выше замечания о точ;
ности температурных измерений имеют доста;
точно общный характер касательно высокотем;
пературных технологических процессов.
У таких газов как кислород (D = 5,08 эВ,
Ia = 13,61 эВ, Im = 14,01 эВ) и водород
(D = 4,48 эВ, Ia = 13,59 эВ, Im = 15,43 эВ) диссо;
циация проходит от начала до конца в диапазоне
температур примерно 2000…5000 К. У азота же
этот диапазон сдвинут вверх (4000…8000 К), т. к.
его молекула связана исключительно сильно:
D = 9,76 эВ, Ia = 14,54 эВ, Im = 15,51 эВ.
В чистых газах в области заметной ионизации
молекул чаще всего уже не остается, т.к. обычно
I > 2D. В смесях может быть иначе. Например,
ионизация воздуха начинается с отрыва электро;
нов от молекул NO, образующихся при его нагре;
вании в концентрации нескольких процентов.
Они обладают довольно низким потенциалом
ионизации I = 9,3 эВ, обусловливая заметную ио;
низацию воздуха при далеко не полной диссоци;
ации азота.
Частицы плазмы обладают значительной по;
тенциальной энергией, запасаемой в результате
энергетических затрат на разрушение молекул,
отрыв электронов, а также на химические пре;
2A
N
2A
N
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4 17
ТЕПЛО0 И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
вращения в смеси, что вносит весомый вклад в
удельную энергию и, соответственно, теплоем;
кость плазмы. Последовательный учет особенно;
стей влияния диссоциации молекулярных час;
тиц на удельную энергию плазмы частиц в
проблеме напыления покрытий позволил отка;
заться от дефицитной в свое время и дорогостоя;
щей аргон;водородной плазмообразующей сме;
си, заменив ее продуктами сгорания природного
газа [15, 16]. Плазма, генерируемая в этой смеси,
содержит компоненты с различными значения;
ми температур максимальных скоростей диссо;
циации: H2O – 2800, CO2 – 3500, H2 – 4500,
N2 – 7000 К. Это обеспечивает максимальные
теплоотдачу от плазменной струи и оплавление
напыляемого дисперсного порошка. Кроме того,
в такой смеси кислород воздуха – нежелатель;
ный компонент при напылении многих материа;
лов – связывается в термически стойкий оксид
углерода; при этом водород, обычно специально
добавляемый к инертным газам для повышения
энтальпии, образуется в смеси так или иначе.
Причем его количество, как и восстановитель;
ный потенциал среды в целом, управляется соотно;
шением газ/воздух. Иными словами, процесс со;
провождается образованием синтез;газа CO + H2,
являющегося основным предметом интереса во
всех процессах конверсии топлив [9 – 13].
Транспортные свойства плазмы.
Электропроводность
Существенно более важным по сравнению с
особенностями поведения уравнения состояния
(1) является определяющее влияние заряженных
частиц плазмы, и в первую очередь – электронов,
на ее транспортные свойства. В частности, специ;
фическим для плазмы является эффект подвиж;
ности заряженных частиц, характеризующий их
способность ускоряться под воздействием элект;
рического поля между двумя последовательными
преимущественными столкновениями с нейт;
ральными частицами, определяя в целом их
дрейфовое движение. Результирующая направ;
ленная скорость u, приобретаемая электроном
между двумя последовательными соударениями,
определяется ускорением частицы a на протяже;
нии промежутка времени τ между среднестатис;
тическими соударениями, которые в свою оче;
редь, определяются величиной электрического
поля E, а также длиной свободного пробега элек;
трона λe и его тепловой скоростью v:
u = a τ = = E = μeE. (7)
Выделенный здесь отдельно коэффициент
пропорциональности мe по отношению к вели;
чине электрического поля E и представляет со;
бой подвижность электрона. Соответственно,
электропроводность плазмы определяется следу;
ющим образом:
σ = e μe Ne. (8)
Эта формула справедлива для не слишком вы;
соких степеней ионизации плазмы α = Ne / Na < 0,01
и приемлема для описания большинства тепло;
технических процессов.
Особенности процессов теплопереноса. Од;
ним из главнейших механизмов выноса энергии
из плазмы является теплопроводность. Темпера;
тура в газоразрядной плазме обычно определяет;
ся балансом между выделением джоулева тепла и
теплопроводностным оттоком энергии. Коэффи;
циент теплопроводности λ в допущении недели;
мости частиц плазмы зависит только от темпера;
туры, увеличиваясь с ее ростом пропорционально
тепловой скорости частиц. Строгие формулы для
расчетов λ вытекают из анализа кинетического
уравнения Больцмана; их особенностью в плаз;
ме или газе, в которых происходят ионизация,
диссоциация или химические превращения, яв;
ляются локальные максимумы в температурных
интервалах, соответствующих этим процессам.
Они обусловлены преобразованием потенциаль;
ной энергии, связанной с упомянутыми процес;
сами, в кинетическую энергию частиц при их со;
путствующей диффузии из более горячих
областей в холодные.
Распределение температуры как в области су;
ществования дуги, так и вне ее определяется
уравнением теплопроводности (или баланса
энергии) Эленбааса;Хеллера [5, 17]:
(9)
υ
υ
⎛ ⎞ + σ =⎜ ⎟
⎝ ⎠
21
0;
d dS
r E
r dr dr
λ
e
e
e
m v
λ
e
v
e
eE
m
18 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4
ТЕПЛО0 И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
(10)
Введенный здесь потенциал потока тепла S
позволяет сгладить влияние нерегулярно изме;
няющегося в функции от температуры коэффи;
циента теплопроводности, входящего в конеч;
ном итоге под знак дифференцирования в
уравнении (9). Граничными условиями являются:
dS/dr (r = 0) = 0; (11)
S(r = rw) = Sw. (12)
Довольно фундаментальной является пробле;
ма охлаждающей стенки. Действительно, в про;
стейшем случае разряда цилиндрической формы
невозможно решение уравнений (9, 10) в систе;
ме “плазма–окружающий газ” при следующей
замене граничного условия (12):
S(r = ∞) = S, (13)
где S характеризует температуру невозмущенного
электрической дугой газа. Причина состоит в
том, что отвод потока тепла из центральных зон
электрической дуги на ее периферию не может
быть обеспечен в условиях незначительного гра;
диента температуры. Действительно, тепловой
поток через некоторое концентрическое сечение
за пределами дуги на расстоянии r от ее оси по
определению составляет:
q = –2πυrυλ = –2πυrυ . (14)
Интегрируя выражение для потока в цилинд;
рической геометрии в области от радиуса дуги ra,
в пределах которого сосредоточено тепловыделе;
ние, до R > ra, получим величину отводимой от
дуги тепловой энергии:
Q = 2π[S(ra) – S(r)] / ln(R/ra). (15)
Отсюда следует, что Q → 0 при R → ∞, то есть
величина теплового потока, который может быть
отведен теплопроводностью от открытой дуги
цилиндрической формы, логарифмически спа;
дает к нулю. Такая проблема принципиально от;
сутствует в случае сферической геометрии (ν = 2
в уравнении (9)), хотя, строго говоря, сферичес;
кая дуга не реализуема.
В силу двух последних обстоятельств свобод;
ногорящая электрическая дуга может существо;
вать обычно в виде достаточно короткой дуги,
длина которой не превышает нескольких ее диа;
метров. Вопрос теплоотвода решается при этом
самосогласованно с учетом геометрического
фактора. Действительно, дуга в этом случае при;
нимает форму эллипсоида вращения, что при;
ближает ее к сферической геометрии, облегчая
теплоотвод [18].
В случае длинной дуги проблема, в принципе,
может сниматься возникающими конвективны;
ми потоками в атмосфере, в которой находится
цилиндрической источник тепла. Однако воз;
можности отвода энергии за счет конвективных
механизмов весьма ограничены [18]. Поэтому
попытки удлинить короткую дугу обычно приво;
дят к неустойчивому режиму горения и к ее пога;
санию.
Вот почему получение стационарной длинной
дуги предполагает, вообще говоря, наличие стен;
ки, на которую отводится возникающий тепло;
вой поток. Главная особенность такой системы
состоит в принципиальной возможности сущест;
вования двух форм длинного дугового разряда:
объемного и контрагированного. В случае перво;
го из них столб дуги занимает более или менее
равномерно все сечение разряда между ограни;
чивающими стенками. Во втором – происходит
стягивание разряда в относительно узкий шнур.
Причина этого явления – неустойчивость газо;
вого разряда; наиболее характерна в этом случае
ионизационно;перегревная или тепловая неус;
тойчивость [5, 19]. Дестабилизирующую роль иг;
рает локальное повышение температуры газа.
Оно сопровождается уменьшением плотности
его частиц N за счет теплового расширения в ус;
ловиях постоянства давления. При постоянстве
же электрического поля E в разряде это приводит
к возрастанию отношения E/N, и зависящей от
него электронной температуры. Последнее ведет
к усилению ионизации, локальному повышению
проводимости, возрастанию плотности тока и
выделению Джоулева тепла. В результате газ на;
гревается еще сильнее, продолжая цепочку раз;
dS
dr
dT
dr
( )= λ∫
0
.
T
S T dT
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4 19
ТЕПЛО0 И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
вития неустойчивости. Стабилизирующими фак;
торами являются диффузия и теплопроводность,
способствующие рассасыванию неоднороднос;
тей плотностей частиц и температуры; их отно;
сительная роль уменьшается с возрастанием дав;
ления и силы тока в разряде.
Генераторы плотной
низкотемпературной плазмы
Стеночностабилизированные электрические
дуги в чистом виде применяются преимущест;
венно для исследований теплофизических
свойств веществ при высоких температурах [20].
Они позволяют получить достаточно большой
объем разрядной плазмы, но, кроме того, снима;
ют проблему пространственной фиксации кана;
ла дуги, одной из причин нестабильности кото;
рого являются неустойчивости катодного и
анодного пятен, через которые замыкается элек;
трический ток на электроды [5, 6]. Характерная
особенность стеночностабилизированных элект;
рических дуг состоит в том, что для повышения
температуры плазмы в канале следует увеличи;
вать уровень охлаждения на периферии. Напри;
мер, в случае интенсивного охлаждения столба
дуги водяным вихрем удалось получить рекорд;
ную тогда температуру более 50 000 К в дуге при
силе тока 1500 А в диафрагме диаметром 2,5 мм
[6]. Последовательное решение проблемы тепло;
отвода применительно к практическим целям
привело к созданию так называемых плазмотро;
нов – устройств, генерирующих плазменную
струю в потоке плазмообразующего газа, обдува;
ющего дугу. Процессы в дуговом канале плазмо;
трона довольно сложны; тем не менее, основой
для их понимания и адекватного управления па;
раметрами рабочей среды плазмотрона являются
свойства электрической дуги.
Физика и техника плазмотронов в настоящее
время достаточно развиты (см., например, [17,
21, 22]), но изложение их основ выходит за пре;
делы возможностей этой публикации. Имея в
виду в дальнейшем перейти к оценкам перспек;
тив плазменных технологий, отметим только два
важных параметра, лимитирующих применение
плазмотронов в теплотехнических установках:
относительно высокая стоимость оборудования
и ограниченный ресурс. Первый из них обуслов;
лен в значительной степени стоимостью электро;
технических устройств питания и стабилизации
режимов работы плазмотрона постоянного то;
ка, составляющих в удельном представлении
около 1 тыс. USD/кВт при мощностях единиц
киловатт и снижающихся до уровня примерно
0,1 тыс. USD/кВт при единичной мощности обо;
рудования близко 1 МВт. Второй – эрозией ма;
териала электродов, в первую очередь катода. В
настоящее время разработаны различные типы
достаточно эффективных электродов. Однако их
ресурс для плазмотронов, представляющих инте;
рес в энергетических применениях, составляет
200…300 часов. Поэтому для дальнейших оценок
мы ориентируемся на простейшие медные элект;
роды минимальной стоимостью, ресурс которых,
тем не менее, составляет 200 часов [23].
Вместе с тем, применение плазмотронов в теп;
лотехнике вследствие их относительной сложно;
сти и дороговизны в ряде случаев бывает вообще
избыточным. Поэтому – если это позволяют
конкретные условия – функции рабочего тела
выполняет плазма обычной электрической дуги
[10, 12]. Например, в работе [10] для исследований
газификации низкосортного угля применена 3;х
фазная электрическая дуга между угольными эле;
ктродами. Ток локализуется в электродуговой зо;
не реактора, охваченной электромагнитной ка;
тушкой; последняя обеспечивает магнитное
управление дугой. Мощность установки состав;
ляет 70 кВт.
Значительные преимущества имеют также
плазмотроны переменного тока. В разрядной ка;
мере такого плазмотрона одновременно может
гореть несколько дуг, заполняющих доступное
пространство, за счет чего, а также благодаря
диффузии электронов формируется объемная
область с высокой плотностью электронов. При
этом реализуется диффузионный (а не контраги;
рованный) режим существования дуги. Благода;
ря также интенсивной конвекции газа, энергия
электрического тока, затраченная на нагрев, рас;
пределяется по оставшейся части объема, что
способствует повышению среднемассовой тем;
пературы. Минимальны также потери на излуче;
ние и, соответственно, высок коэффициент пе;
редачи энергии разряда газу. Еще одно
20 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4
ТЕПЛО0 И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
преимущество – диффузионный характер горе;
ния дуг обеспечивает плавный переход тока через
нуль, поэтому токи разряда близки к синусои;
дальным [13].
Одним из направлений, связанных с пробле;
мой преодоления ограниченного ресурса работы
электродов, стало применение высокочастотных
плазмотронов [22, 24]. В них создается безэлект;
родный индукционный (реже – емкостной) раз;
ряд под воздействием высокочастотного электро;
магнитного поля. Продувая газ через разрядную
камеру плазмотрона, получают струю плазмы; его
ресурс практически не ограничен при работе с
любой газовой средой, а плазма, естественно, не
загрязнена материалом электродов. Рабочая часто;
та таких плазмотронов соответствует 106…108 Гц,
мощность – от единиц до тысяч кВт. Сравнитель;
но слабое место такой техники – несовершенство
разрядных камер; кроме того, коэффициент по;
лезного действия этих плазмотронов невысок по
сравнению с электродуговыми [22].
Одним из вариантов решения проблемы эрозии
электродов является использование расплава ме;
талла (например, стали [9]) в качестве одного или
обоих электродов в электродуговом реакторе. Еще
одним ее преимуществом является определенная
стабилизация температуры в реакторе, недостат;
ком – значительная инертность устройства.
Несмотря, однако, на успехи в развитии физи;
ки и техники генераторов низкотемпературной
плазмы, тематика эта еще далеко не исчерпана
для научных исследований, Достаточно сказать,
что свободногорящая электрическая дуга между
плавящимися электродами – прародительница
современной физики низкотемпературной плаз;
мы – до сих пор не может быть адекватно описа;
на с точки зрения баланса энергии [18]. Есть до;
статочные основания полагать, что одной из
причин такого несоответствия является неравно;
весность электродуговой плазмы, хотя это идет в
разрез с бытующими представлениями о ее базо;
вых свойствах. Анализу этого вопроса будет по;
священа следующая часть этой работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Стратегія енергозбереження в Україні:
Аналітично;довідкові матеріали / Колективна
монографія в 2;х томах / За ред. Жовтянського В.А.,
Кулика М.М., Стогнія Б.С. – Т.1: Загальні заса;
ди енергозбереження. – К.: Академперіодика,
2006. – 510 c.
2. Корчевой Ю.П., Майстренко А.Ю., Топал А.И.
Экологически чистые угольные энерготехноло;
гии. – К.: Наукова думка, 2004. – 186 с.
3. Электрометаллургия стали и сплавов /
Д.Я. Поволоцкий, В.Е. Рощин, М.А. Рысс и др. –
М.: Металлургия, 1984. – 568 с.
4. Газотермические покрытия из порошко;
вых материалов / Ю.С.Борисов, Ю.А.Харламов,
С.Л.Сидоренко, Е.Н.Ардатовская. Отв. ред.
В.И.Трефилов– К.: Наук. думка,1987.– 544 с.
5. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. –
М.: Наука. Гл. ред. физ.;мат. лит., 1987. – 592 с.
6. Финкельнбург В., Меккер Г. Электрические
дуги и термическая плазма. – М.: ИИЛ, 1961. –
371 с.
7. Энциклопедия низкотемпературной плаз;
мы / Под общей ред. Фортова В.Е. – Т. XI;5, се;
рия Б: Прикладная химия плазмы / Под ред. Ле;
бедева Ю.А., Платэ Н.А., Фортова В.Е. – М.:
Янус;К, 2006.– 536 с.
8. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки:
строение, свойства, применение. – М.: Бином,
2006. – 293 с.
9. Жуков М.Ф., Калиненко Р.А., Левицкий А.А.,
Полак Л.С. Плазмохимическая переработка угля. –
М.: Наука, 1990. – 200 с.
10. Карпенко Е.И., Мессерле В.Е., Устименко А.Б.
Плазменные технологии переработки твердых
топлив // Горение и плазмохимия. – 2003.– Т.1,
№2. – С. 131 – 139.
11. Козин Л.Ф., Волков С.В. Водородная энерге;
тика и экология. – К.: Наукова думка, 2002. – 335 с.
12. Santilli R.M. Foundations of Hadronic
Chemistry. With Applications to New Clean Energies
and Fuels. – Boston;Dordrecht;London: Kluwer
Academic Publishers, 2001. – 431 р.
13 Rutberg Ph.G. Plasma Pyrolysis of Toxic Waste
// Plasma Physics and Controlled Fusion. – 2003. –
45. – P. 957 – 969.
14. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т.
Кинетика неравновесной низкотемпературной
плазмы. – М.: Наука, 1982. – 375 c.
15. Карп И.Н., Марцевой Е.П., Пащенко В.Н.
Математическое моделирование нагрева и дви;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4 21
ТЕПЛО0 И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
жения частиц в плазменной среде // Хим. техно;
логия. – 1985. – №6. – С. 27 – 33.
16. Петров С.В., Карп И.Н. Плазменное газо;
воздушное напыление. – К.: Наук. думка, 1993. –
495 с.
17. Физика и техника низкотемпературной
плазмы / Под ред. Дресвина С.В. – М.: Атомиз;
дат, 1972. – 352 с.
18. Жовтянський В.А., Патріюк В.М. Особли;
вості тепловідведення від електричної дуги в па;
рах міді // Укр. фіз. журн. – 2000. – Т. 45, № 9.–
С. 1059 – 1066.
19. Порицький П.В. Механізми контракції ду;
гового розряду. 1. Особливості теплової кон;
тракції // Укр. фіз. журн. – 2004. – Т. 49, № 9. –
С. 885 – 891.
20. Асиновский Э.И., Кириллин А.В., НизовV
ский В.Л. Стабилизированные электрические ду;
ги и их применение в теплофизическом экспери;
менте. – М.: Наука, 1992. – 264 с.
21. Даутов Г.Ю., Дзюба В.Л., Карп И.Н. Плаз;
мотроны со стабилизированными электрически;
ми дугами. – К.: Наук. думка, 1984. – 168 с.
22. Туманов Ю.Н. Плазменные и высокочас;
тотные процессы получения и обработки мате;
риалов в ядерном топливном цикле: настоящее и
будущее.– М.: Физматлит, 2003.– 760 с.
23. Разработка и изготовление опытной уста;
новки плазменной обработки пылеугольного
топлива: Отчет по НИР №3/2001 (ООО ТОПАС).
Науч. руковод. Петров С.В. К., 2004.– 52 с.
24. Дресвин С.В. Основы теории и расчета вы;
сокочастотных плазмотронов. – Л.: Энергоато;
миздат, 1991. – 312 с.
Получено 04.06.2007 г.
22 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4
ТЕПЛО0 И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Наведено результати експеримен0
тальних досліджень термічного опору
контакту для мідних теплових труб з
оребренням із алюмінієвого сплаву. Ви0
конано порівняння дослідних даних з
розрахунковою методикою, що отрима0
на для інших контактних пар.
Приведены результаты эксперимен0
тального исследования контактного тер0
мического сопротивления для медных
тепловых труб с оребрением из алюми0
ниевого сплава. Выполнено сравнение
опытных данных с расчётной методикой,
полученной для других контактных пар.
Results of experimental investigation
of contact thermal resistanse for copper
heat pipes with aluminium fins are present0
ed. The comparison of experimental data
with calculated methods, that was
received for another contacting pairs, is
maked.
УДК 536.241: 536.248.2
РУДЕНКО А.И.
Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”
ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ ИЗ МЕДИ С
ОРЕБРЕНИЕМ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА
Bn – коэффициент, характеризующий геометри;
ческие свойства поверхностей;
c1, c2 – коэффициенты уравнения (8), учитываю;
щие влияние деформации на геометриче;
ские размеры охватывающей и охватыва;
емой поверхностей;
d – внешний диаметр тепловой трубы;
– приведенный модуль Юнга для
контакта разнородных материалов;
E1, E2 – модули Юнга для меди и алюминиевого
сплава соответственно;
F – номинальная (геометрическая) площадь кон;
такта;
=
+
1 2
1 2
2E E
E
E E
|