4.11.4 Турбулентная конвекция.

Отвод тепла конвекцией происходит следующим образом холодный газ внедряется во внешнюю зону ствола дуги, нагревается, частично подвергается диссоциации и, забирая при этом энергию диссоциации, выносит ее за пределы ствола дуги. Ствол дуги испытывает боковые смещения , обусловленные электродинамическими силами, возникающими в дуговом контуре, и газодинамическими явлениями, более тесно соприкасается с окружающими слоями газа, отдает им часть своего тепла.

Эффективность теплоотдачи посредством турбулентной конвекции увеличивается с повышением теплоемкости газа. Удельная теплоемкость воздуха имеет ярко выраженные максимумы при температурах 3500, 7000 и 15 000 К и минимумы при 4100 и 9200 К. Первый максимум вызван диссоциацией кислорода, второй — диссоциацией азота и третий — ионизацией воздуха. У элегаза максимумы удельной теплоемкости наступают при температуре 2100 и 9000 К, а минимум - при 9500 К.

4.11.5 Баланс энергии в стволе дуги.

Энергия, поступающая в ствол дуги, — это энергия, выделяемая током iд проходящим по дуге; энергия, выделяющаяся в стволе при рекомбинации противоположно заряженных частиц (она равна энергии, ранее затраченной на их ионизацию), и энергия, вносимая потоками плазмы с электродов.

Энергия, отводимая из ствола дуги, — это энергия, расходуемая на диссоциацию атомов и молекул; энергия, отводимая от ствола дуги посредством диффузии, и энергия, отводимая от ствола дуги посредством теплопроводности, турбулентной конвекции и излучения.

Если подводимая энергия равна отводимой или превышает ее, то баланс энергии в стволе дуги положителен и, следовательно, обеспечиваются условия стабильного горения дуги. В тех же случаях, когда отводимая энергия больше подводимой, баланс энергии в стволе дуги оказывается отрицательным и тем самым создаются условия для гашения дуги.

Теплота, выделяемая в дуге, распространяется в радиальном направлении от центра дуги и в аксиальном направлении к электродам. Часто пренебрегают отводом теплоты к электродам, но это допустимо не для всех тип ДУ. Вся теплота, выделяемая в дуге в единицу времени, равняется теплоте, запасаемой дугой, плюс теплота, отводимая от дуги в радиальном и аксиальном направлениях.

4.12 Потоки плазмы в дуге

Круговое магнитное поле, образованное током дуги, создает радиально направленное усилие сжимающее ствол дуги (пинч-эффект). Под действием этого усилия в дуге возникает избыточное давление р = JI·10-7 (Па). Если поперечное сечение дуги изменяется по ее длине, то в нем изменяется и плотность тока, а как следствие этого, и давление на ее оси. Следовательно, вдоль дуги возникают продольные градиенты давления. Под действием разности давлений из зоны повышенного давления в обе стороны будут выбрасываться потоки плазмы.

Особенно интенсивные потоки плазмы возникают у поверхности электродов, где происходит уменьшение диаметра дуги, а следовательно, и увеличение плотности тока. В местах с уменьшенной площадью сечения повышается и температура плазмы. Нагретые здесь газы расширяются и устремляются в область с более низким давлением и температурой.

У опорных точек дуги образуются зоны плавления и испарения материала электродов, в которых возникают области повышенного давления, и пары материала электродов устремляются в зону ствола дуги. Таким образом, у поверхности электродов возникают зоны повышенного давления, вызывающие образование местных потоков плазмы с поверхности электродов, перпендикулярных к ней. Скорость частиц у основания потока плазмы достигает 103-104 м/с и уменьшается по мере удаления от электродов. Скорость распространения фронта потока достигает нескольких десятков метров в секунду.

Потоки плазмы возникают только при токе, достигающем определенного значения, называемого критическим, и появляются с опозданием на 1—2 мс после возникновения дуги. Критический ток зависит от материала электродов, их полярности, расстояния между электродами, состояния и физических свойств среды, в которой находятся электроды. Зависимость критического тока от материала электродов и от расстояния между ними объясняется различием в тепловых свойствах паров металла, которые захватываются потоками плазмы и переносятся в межэлектродный промежуток.

В дуге переменного тока потоки плазмы возникают не сразу после нуля тока, а лишь после того, как ток достигнет своего критического значения. Их изменения по размерам и форме следуют за изменением тока с некоторым опозданием из-за того что потоки плазмы обладают инерцией. После достижения током максимума и его последующего уменьшения до нуля изменяются (с некоторым запаздыванием) и потоки плазмы. В момент прохождения тока через нуль потоки плазмы не исчезают, а становятся меньше по размерам и по яркости. Возникающие во второй полупериод потоки плазмы достигают больших размеров, чем в первый полупериод.

П

а) б) в)

Рис. 4.3. Потоки плазмы

отоки плазмы имеют более высокую температуру, чем окружающая их часть ствола дуги. На форму, длину и интенсивность потоков плазмы влияют полярность, материал и форма электродов. Поток, исходящий из анода, всегда состоит из одной струи, а катодный поток может иметь несколько выходящих из него струй.

Потоки плазмы могут иметь различное направление в зависимости от конструкции контактного узла. Когда поверхности электродов обращены одна к другой и расположены по одной линии (рис. 4.3, а), то потоки плазмы, выходящие из электродов, направлены навстречу друг другу и при небольшом расстоянии между электродами могут сталкиваться, образуя расширение ствола дуги. Если поверхность одного из электродов повернута в сторону (рис. 4.3, б), то потоки плазмы перекрещиваются и пары металла выбрасываются за пределы ствола дуги. Напряжение на дуге в этом случае заметно повышается, и условия ее гашения облегчаются. Можно так расположить поверхности электродов, чтобы потоки плазмы не сталкивались друг с другом (рис. 4.3, в). Здесь потоки плазмы направлены в разные стороны и выбрасываются за пределы ствола дуги. Путь тока в стволе удлиняется, а напряжение на дуге существенно повышается.

На скорость восстановления электрической прочности межэлектродного промежутка после погасания дуги влияет направление потоков плазмы (встречные, расходящиеся). Поэтому при разработке ДУ следует по возможности направлять потоки плазмы таким образом, чтобы они не пересекались и не сталкивались между собой.

На потоки плазмы, как и на всякий проводник с током, действуют электромагнитные силы Когда дуга горит между двумя стержневыми электродами 1 и 5 (рис. 4.4, а), из последних исходят в вертикальном направлении потоки плазмы 2 и 4. Между ними находится часть дуги 3. Так как в потоках плазмы 2 и 4 направление тока противоположное, то потоки плазмы 2 и 4 под действием электродинамических сил отталкиваются друг от друга, отклоняясь в стороны от вертикальной оси.