Баланс энергии дуги

Баланс энергии в приэлектродных областях

Как для катодной, так и для анодной областей дуги можно составить подобную схему баланса энергии. Например, для участка анода основные составляющие баланса следующие:

а) приход – потенциальная и кинетическая энергия электронов, конвективная и лучистая теплопередача от столба плазмы;

б) расход – плавление, излучение и теплоотвод в материал анода.

Однако механизм явлений в переходных областях дуги тока недостаточно ясен, поэтому проводить точный расчет всех составляющих баланса энергии трудно. В катодной области остается неизвестной доля ионного тока, коэффициент аккомодации энергии ионов для данного катода, изменение работы выхода электронов вследствие эффекта Шоттки и т.п.

В технологическом отношении энергетическая структура дуги вполне определяется при термодинамическом макроподходе. Дугу при этом рассматривают как квазиравновесную систему из трех источников теплоты: катодного, анодного и столба дуги.

Ток во всех зонах разряда условно можно принять электронным. На результат термодинамического расчета такая условность совершенно не влияет. Баланс энергии за 1c на 1A тока приведен в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Баланс энергии в различных зонах дуги за 1c на 1A.

Зоны	Приход	Расход
Катодная
Анодная
Столб дуги

Принимаем условно, тогда для всей дуги

(5.6)

что соответствует известной формуле

(5.7)

где - длина дуги, - постоянные(?)

Термодинамический баланс на катоде целесообразно сравнить с точным балансом. Точный баланс для катода следовало бы написать так: приход = расход в катод + расход в столб или

(5.8)

Где;, - кинетическая и потенциальная энергии ионов, передаваемые одним ампером ионного тока на катод.

Учитывая, что (для ионного тока), а, и относя баланс и 1А общего тока, получим

(5.9)

Здесь первое слагаемое правой части есть, а второе термодинамического баланса. Отсюда

(5.10)

т.е. электроны уносят в столб потенциальную энергию, соответствующую высоте барьера, и кинетическую энергию, соответствующую температуре плазмы столба.

Тогда для ионного тока на катод

(5.11)

Из формулы (5.11) видно, от чего зависит доля ионного тока и как ее можно изменить.

Например, увеличивая температуру в столбе или работу выхода, тем самым уменьшаем и увеличиваем долю электронного тока. Если,, то. Это соответствует W-дуге в Ar.

Теплота, выделяющаяся в катодной и анодной областях, затрачивается на нагрев, плавление и испарение соответствующих электродов, а также на механические воздействия в приэлектродных областях.

Из формул таблицы 5.1. следует, что на катоде не вся выделяемая энергия переходит в теплоту. Часть ее уносится электронами в плазму. На аноде, наоборот, потенциальная и термическая энергия электронов прибавляются к энергии, определяемой анодным падением.

Иногда теплоту, выделяющуюся на катоде и на аноде оценивают как эффективное падение напряжения.

(5.12)

(5.13)

тогда

(5.14)

т.к., а переменной величиной является только, то изменение определяется изменением.

По формулам (5.12), (5.13) можно решить и обратную задачу – приближенно оценить тепловыделение на электродах без калориметрирования. Для этого необходимы значения и,,.

Пример: для Me-дуги из опыта на 1А тока приходится

Пример: вольфрамовая дуга, на 1А тока

Пример: для плавящегося стального электрода теплота плавления на 1А за 1 час будет, где - коэффициент расплавления электрода, составляющий для ручной сварки 6…14, а для автоматической – 12…24. - теплосодержание расплавленного металла, для сварки стали подставим, получим.

Из этих примеров видно, что обычно в анодной области дуги выделение энергии значительно больше, чем в катодной (см. рис 5.2). Это учитывается технологами при выборе полярности электрода и изделия.

Тепловыделение в столбе дуги зависит от его длины и от напряженности поля Е. Напряженность поля зависит от теплофизических свойств среды и тока. Значение напряженности максимально при сварке в среде водяного пара () и минимально – в вакуумной дуге ().

Дата добавления: 2014-01-03