Основным механизмом передачи энергии из проводящего канала ду­ги, движущейся под действием магнитного поля, к окружающему газу является конвективный теплообмен. Однако часть энергии из прово­

дящего канала передается в окружающее пространство излучением. Для того чтобы оценить эту долю энергии, были проведены измерения излучения дуги, движущейся под действием магнитного поля в среде высокого давления. Исследования проводились на установке, пред­ставленной на рис. 3.1. В емкости устанавливался радиометр термо­парного типа. Между радиометром и плоскостью электродов находилась диафрагма, которая обеспечивала видимость со стороны датчика

только определенного участка пробегающей электрической дуги длиной 2Уц. В некоторых случаях диафрагма отсутствовала, тогда 2= /.

Ограничено также и расстояние вдоль электродов, на котором была видна дуга со стороны датчика.

При расчете излучаемой дугой мощности по показаниям радиометра введена некоторая схематизация (3.14). Электрическая дуга счита­ется нитью, соединяющей оба элек-

Рис. 3.14. Расчетная схема:

1 — дуга; 2 — диафрагма; 3

датчик

трода по кратчайшему расстоянию, а каждый элемент нити излучает как сферический источник. Дуга освещает приемную площадку ра­диометра, пока она пробегает расстояние от - до + (2=

= 150 мм). Учтем, что за время пробегания дуги радиометру осве­щается под разными углами. Введем безразмерные координаты У ~

и z = - J - (L - расстояние от плоскости пробегания дуги до ради­ометра). Получим связь мощности излучения единицы столба дуги

Р^ (Вт/м) с энергией, приходящейся на единицу площади радиометра q (Дж/м2),

Значение q определяется по приросту температуры радиометра за счет его теплоемкости. Электрическую дугу, движущуюся под действием магнитного поля, можно считать оптически прозрачной, так как она имеет небольшие поперечные размеры.

Датчик излучения представлял собой спай медной и константановой фольги толщиной 9 мкм. С облучаемой стороны фольга чернилась графитовой эмульсией, которая после обжига давала покрытие тол­щиной менее 5 мкм.

Отраженное излучение в видимой части спектра составляло не более 5 %. В ультрафиолетовой части спектра коэффициент отражения применявшегося покрытия не исследован. Однако, видимо, это не существенно, так как основная доля излучения приходится на видимую часть спектра. Опыты, приведенные с постановкой перед радиометром молибденового стекла, не пропускающего ультрафиолетовые лучи и не допускающего конвективного воздействия дуги на датчик, показали, что тепловой лучистый поток, приходящий на датчик, уменьшился незначительно.

Экспериментальные данные, приведенные на рис. 3.15 и 3.16, а также расчеты позволяют приближенно считать, что мощность излу­чения пропорциональна силе тока. Поэтому результаты экспериментов

Р

удобно представлять в виде отношения ----- , которое будем обозна-

Из рассмотрения рис. 3.15 и 3.16 видно, что вся дуга в среднем (измерения без ограничения диафрагмой) излучает с единицы столба больше энергии, чем центральная часть дуги, вырезаемая диафрагмой, т. е. части дуги, прилегающие к электродам, излучают больше, чем середина дуги. При давлении 1,5 МПа измерения проводились при двух длинах дуги I = 15 мм и I = 5 мм. Результаты этих измерений приведены на рис. 3.17. Если считать, что при длине дуги 15 мм на среднюю часть дуги не оказывают влияния приэлектродные части, то можно провести горизонтальную асимптоту, к которой будет стре­миться Е^ при увеличении длины. Можно продолжить зависимость также

и на меньшие длины, если считать, что уменьшение длины не окажет влияния на излучение приэлектродных частей дуги.

Увеличение мощности излучения приэлектродных частей дуги со­гласуется с измерениями, проведенными Д. И. Словецким. Он показал, что приэлектродные части дуги имеют большую температуру, чем се­редина столба. Это, по-видимому, связано с уменьшением поперечного сечения проводящего канала у поверхности электродов.

На рис. 3.18 приведена зависимость Е' от давления. Мощность

излучения зависит от давления, при увеличении давления в 100 раз Е' увеличилась примерно в 20 раз.

Сильный рост мощности излу­чения при увеличении давления еще не говорит о росте относи­тельной доли потерь излучением, так как при повышении давления ' 0 и 8 12 16 1,мм возрастает и конвективный отвод

тепла от дуги.

Из рис. 3.16 видно слабое уменьшение £ с ростом Я, что связано

л

с уменьшением поперечных размеров проводящего канала дуги.

Проведем сравнение полученных экспериментальных данных с рас­четными величинами мощности излучения. Температуру дуги примем равной 12000 К, что близко к измеренной Д. И. Словецким. Расчет излучения будем проводить, пользуясь коэффициентами излучения для воздуха, полученными Ю. А. Пластининым.

Мощность излучения единицы столба дуги равна:

Рл = е(/>, Т. (3.6)

Задаваясь размером проводящего канала d и относительной длиной / =

= - j- , рассчитаем по формуле (3.6) Р^ при различных давлениях.

Результаты_расчетов показывают, что зависимость от / слабая. При изменении / от 2 до оо различие составляет не более Ю %. В наших опытах / > 2, поэтому за основу будем брать случай I = оо.

Попытаемся представить мощность излучения в виде степенной за­висимости вида Р * еГрт. Согласно расчетным зависимостям пока-

Л

затель степени в диапазоне давлений 0,1...30 МПа изменяется в пределах п = 1,5... 1,8, а показатель степени т примерно равен единице. Используем зависимости поперечного размера дуги (3.5) от силы тока, напряженности магнитного поля и давления и, выбирая среднее значение показателя п = 1,67, получим линейную зависимость от силы тока:

Сравнение полученной зависимости с экспериментальными данными, приведенными на рис. 3.15, 3.16 и 3,18, показало, что экспери­ментально полученные значения в несколько раз превышают рас­четные. Различие может быть вызвано заниженным значением принятой температуры, а также наличием в дуге примеси паров меди, увели­чивающих интенсивность излучения.

При аппроксимации экспериментальных данных приняты показатели степени при р и Я, полученные расчетным путем:

Выражая напряженность электрического поля по формуле (3.3), можно записать относительную долю лучистой энергии в виде

Таким образом, с ростом давления доля потерь теплоты излучением увеличивается, однако не очень сильно, так как растет также доля теплоты, отводимой конвекцией. Согласно формуле (3.8) при давлении 10 МПа доля мощности дуги, теряемая излучением, составляет около 8 %. Расчет проведен при / = 5 кА и Я = 1 кА/см. Экстраполяция на большие давления показывает, что при 100 МПа доля мощности, те­ряемой излучением, остается еще небольшой и составляет ~ 14 %. Таким образом, даже при столь большом давлении теплоотвод от дуги, движущейся под действием магнитного поля, осуществляется, в ос­новном, за счет конвекции.