Возникновение и протекание процесса электролитно-плазменного нагрева

вести сбор, хранение и учет большого количества информации о состоянии объектов, причинах аварийных отказов, выявленных ненадежных узлах, появляется необходимость обработки накопленного объема информации, определения динамики изменения состояния ЭО, а также принятия решения о сроках проведения следующей диагностики, технического обслуживания или ремонта, их объемах и видах. Осуществление указанных мероприятий стало возможным путем создания соответствующего информационно-программного обеспечения, позволяющего производить практические работы по контролю и прогнозированию состояния изоляции электродвигателей, определять материальные и трудовые затраты, осуществлять планы модернизации оборудования.

Таким образом, комплексный подход к решению задач научного исследования позволил впервые получить закономерности протекания процессов старения и восстановления изоляции обмоток под действием факторов эксплуатации и ремонта электродвигателей, дающие возможность выявить основные направления повышения их надежности с минимальными затратами. Разработанная технология восстановления изоляции позволяет обеспечить высокое качество выполнения работ по техническому обслуживанию и ремонту двигателей в короткие сроки в условиях безотходного и экологически чистого производства при экономии материальных и трудовых ресурсов, что при совместном использовании с комплексом средств измерения и прогноза в составе системы повышения надежности ЭД значительно повышает эффективность функционирования последней и уровень эксплуатации названного типа ЭО.

Литература

1. Хомутов, С.О. Электротермовакуумная пропитка и сушка электродвигателей / С.О. Хомутов, АА Гоиба-нов. - Новосибирск: Наука, 2006. - 325 с.

2. Хомутов, С.О. Ситуационное планирование ремонтов электродвигателей на основе их электромагнитной диагностики / С.О. Хомутов, В.А. Рыбаков, В.Г. Тонких. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2007. - 230 с.

УДК 621.365.31 В.С. Рютин

ВОЗНИКНОВЕНИЕ И ПРОТЕКАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО НАГРЕВА

Рассмотрены особенности нагрева металлов в электролите, представлены теоретические предположения протекания электролитно-плазменного нагрева.

Проведен эксперимент по получению электролитной плазмы при низком напряжении.

Ключевые слова: процесс, теплоотдача, электролитно-плазменный нагрев.

V.S. Ryutin ORIGIN AND PERCOLATION OF THE ELECTROLYTE-PLAZMATIC HEATING PROCESS

The peculiarities of metal heating in the electrolyte are discussed. The theoratical suppositions about the electrolyte-plazmatic heating process are presented. The experiment to receive electrolyte plazma at low voltage is conducted.

Key words: process, heat capacity, electrolyte- plazmatic heating.

Целью настоящей работы является разработка технологии восстановления эксплуатационных характеристик режущего инструмента и деталей сельскохозяйственной техники с помощью электролитной плазмы, с учетом специфики применения в условиях сельскохозяйственных ремонтных мастерских. Процесс электролитно-плазменного нагрева непрерывно связан с кризисом теплоотдачи при кипении жидкости у сильно перегретой поверхности. Поэтому для рассмотрения процесса нагрева необходимо более полное представление процессов, происходящих на границе металл-электролит при возникновении кризиса теплоотдачи при кипении.

Кризис теплоотдачи при кипении жидкости известен уже достаточно давно. Он представляет собой полное отделение сильно перегретой поверхности от окружающей жидкости паровой рубашкой.

Так, если нагретый докрасна стальной брусок погрузить в холодную воду, на чистой горячей поверхности будет происходить кипение. Образующиеся на сильно перегретой, по отношению к окружающей воде, поверхности пузырьки пара не будут успевать покидать область интенсивного кипения и сольются в паровую рубашку. Паровая прослойка препятствует проникновению воды к поверхности металла. Теплопроводность пара намного ниже теплопроводности воды, поэтому охлаждение поверхности будет идти медленно. С падением температуры стали скорость кипения воды, а с нею и скорость охлаждения бруска уменьшается. Это явление и есть кризис теплоотдачи при кипении.

Когда температура стали становится равной 275 0С, кипение воды столь резко возрастает, что жидкость обычно выплескивается из сосуда. Быстрый рост скорости кипения приводит к чрезвычайно сильному понижению температуры. Резкое увеличение теплоотдачи стали связано с тем, что при этой температуре происходит срыв паровой рубашки и проникновение электролита к поверхности. Так что температура образца за очень короткий промежуток времени за счет интенсивного отвода тепла снижается до значения немногим более 100 0С. С этого момента скорость кипения вновь начинает падать с охлаждением металла.

Прыгающая капля на сильно разогретой поверхности, паровое ядро, авария на Чернобыльской АЭС есть суть одного и того же процесса: кризиса теплоотдачи при кипении. Процесс характеризуется весьма динамично изменяющимися переменными, из-за чего многие исследователи сделали вывод о невозможности и даже опасности его практической реализации.

Кризис теплоотдачи развивается на границе двух сред, одна из которых впоследствии (а иногда и обе) меняет свое агрегатное состояние.

При прохождении тока через ванну на катоде непрерывно образуются пузырьки газа, имеющие различную форму и размеры. На образовании пузырьков сказываются молекулярные свойства электролитов и материала электродов, электрическое поле двойного слоя и температура растворов.

Образовавшиеся на катоде пузырьки и перемычки между ними из электролита создают слой, который в дальнейшем условно называется пузырьковым. Из этого слоя происходит непрерывное удаление пузырьков, причем за короткое время на их месте возникают новые пузырьки. Оторвавшиеся от электрода пузырьки имеют почти одинаковые размеры, если условия опыта не меняются, поэтому можно считать, что толщина слоя / соответствует высоте пузырьков. При такой структуре слоя ток может проходить только через перемычки между пузырьками, так как газ в пузырьках имеет незначительную электропроводность.

Электрическое сопротивление пузырькового слоя определяется в основном площадью непосредственного соприкосновения электрода с электролитом.

Проведенное осциллографирование тока, определение степени падения напряжения на электродах и расчет сопротивления цепи показывают, что эти величины остаются постоянными и не зависят от времени существования электролизного процесса [2].

Установленный факт позволяет для подсчета количества выделившегося на катоде газа использовать закон Фарадея

где т - количество выделившегося газа;

к - коэффициент пропорциональности, называемый также электрохимическим эквивалентом;

/ - сила тока;

Т - время.

Когда плотность тока на катоде мала, то газ от поверхности металла отводится диффузией и поэтому площадь соприкосновения электрода с электролитом максимальна, т.е. она равняется всей площади электрода Бо.

При повышении напряжения на электродах ванны выделение газа увеличивается и поверхность катода практически полностью покрывается пузырьками, тогда площадь соприкосновения Бі пузырьков с катодом будет равна

т = :1т ,

где d - плотность газа.

Принимая во внимание уравнения (1)-(3), имеем

( Л’0 - ;)Ш= :/т,

откуда

ш

Преобразуя формулу (4), заменяем силу тока / плотностью тока_/, тогда получаем

1а

Если сила тока, проходящего через ванну, очень мала и ] = 0, то 5 = во.

Очевидно, что при переходе пузырькового слоя в сплошной электрод от электролита отделяется га-

зовой оболочкой и тогда

в = 0.

Следовательно, правая часть формулы (5) также равняется нулю. Это позволяет найти плотность тока, при которой возникает сплошной газовый слой

И

] = Гг‘

к С

Среднее время перехода пузырькового слоя в сплошной (согласно осциллограммам) т = 2,09 10-3 сек, а толщина сплошного газового слоя I = 0,005 см, тогда плотность тока ] = 20,28 А/см2. Значения плотности тока, подсчитанного по уравнению (7), почти совпадают с экспериментальными данными. И тогда формула (5) выражает закономерность покрытия пузырьками газа поверхности катода.

Как уже было сказано, площадь соприкосновения электролита с электродом меняется от в0 до 0, следовательно, и электрическое сопротивление слоя должно непрерывно меняться. Однако в данном случае сопротивление остается величиной, не зависящей от длительности процесса и напряжения на электродах для электролита с определенным составом. Видимо, поверхность катода покрывается

пузырьками до предела, когда напряжение на электродах мало. Такое покрытие остается до критического

состояния пузырькового слоя, после чего площадь соприкосновения уменьшается до нуля. Основываясь на равномерном распределении пузырьков по поверхности электродов, аналитическим путем нашли, что

в = 0,215-50.

Уравнения (5) и (8) позволяют найти плотность тока, при которой происходит предельное покрытие электрода пузырьками,

0,785/й? ,0»

1=~^Г'

к I

Плотность тока при предельном покрытии зависит от времени электролиза. Если т = 24-10-3 сек, то ] = 1,6 А/см2, т. е. при обычных электролизных процессах катод покрывается пузырьками за очень малый промежуток времени. Кроме того, необходимо здесь указать, что истинная плотность тока на катоде в 4,65 раза больше, чем подсчитанная обычным способом. Например, переход пузырькового слоя в сплошной происходит при средней плотности тока (95-96 А/см2).

Слияние пузырьков и образование сплошного газового слоя идет не только за счет выделяющегося газа (благодаря электролизу электролита), но и за счет теплового действия тока. На основании этого аналитическим путем была получена формула для подсчета времени т перехода пузырькового слоя (вывод здесь не приводится) в сплошной с учетом формулы (8). Окончательный вид ее следующий:

_ 0,215/^ [С,

Т 0,24 Щ ’

где а^1 - плотность тока;

С1 - теплота испарения;

С2 - температура испарения;

Тк - критическая температура электролита;

Т - текущая температура электролита;

Т2 - температура испарения электролита;

и - напряжение на электродах.

Время, рассчитанное по формуле (10), довольно близко величине времени, полученной при осциллографировании, и поэтому его можно считать достоверным.

Внесем теперь в формулу (5) значение т, выраженное формулой (10), тогда

я = ? %2\5к^\с,(тк- -)+ :2]

0 0,24Ш

При переходе пузырькового слоя в сплошной соприкосновение электролита с электродом отсутствует, тогда

Х о Г) + с2] );

0,24 Ш ’

и 0,215кс/1 |

0,24с?

имея в виду, что для слабых электролитов 61, С1 и С2 можно принять такими же, как и для воды.

Критическая температура Тк, согласно данным Кутателадзе [1], имеет различные значения (от 125 до 279° С). Текущая температура Т в опытах была равна 25° С.

Если Тк принять равной 275°С, то и = 80,85 В. Полученные результаты совпадают с экспериментальными и данными литературных источников. Напряжение на электродах при переходе пузырькового слоя в сплошной было равно 50-120 В, причем оно зависит от концентрации электролита.

Таким образом, напряжение на электродах, при котором осуществляется переход пузырькового слоя в сплошной, зависит от температуры электролита у нагреваемой детали и от теплоемкости и температуры испарения раствора, от плотности электролита и газа. Такие частные зависимости были экспериментально нами проверены.

Особенностью нагрева металлов в электролите является коренное изменение прикатодного слоя раствора при определенных электрических параметрах. Экспериментально установлено существование перехода пузырькового слоя в сплошной газовый, что аналогично процессу превращения пузырькового кипения в пленочное [3]. Это становится очевидным, если сравнить вольт-амперную характеристику нагрева с зависимостью коэффициента теплоотдачи от температуры.

Различие в этих закономерностях заключено в видах энергии, обеспечивающих испарение жидкости в близлежащем к металлу слое. При обычном кипении на испарение тратится тепловая энергия тела, а при нагреве в электролите испарение идет за счет электрической энергии. Каково бы ни было изменение

прикатодного слоя, электрическое сопротивление катода должно меняться. Для режима нагрева, когда

существует пузырьковый слой, верен закон Ома для участка цепи. Тогда его электрическое сопротивление

г = )

Можно считать, что ток проходит только через перемычки в виде электролита между пузырьками, так как сопротивление газа в пузырьках намного превышает сопротивление электролита. Последнее будет зависеть от площади Б и, согласно формуле (2), выразится как

Я =?„->!

Если через $ обозначить площадь соприкосновения одного пузырька с катодом, а через п - число пузырьков на рабочей поверхности электрода, то

£' = гЯ.

Площадь соприкосновения $ можно найти по приведенной ниже формуле равновесия пузырька, расположенного на горизонтальной поверхности электрода [1],

паст т в = ^).

ст - коэффициент поверхностного натяжения на границе электролита и пузырька; а - диаметр основания пузырька; в - краевой угол;

V - объем;

- радиус кривизны пузырька.

По формуле (14) находим площадь основания пузырька

Тогда площадь, занятая всеми пузырьками, выразится формулой

а площадь, через которую проходит ток, формулой

г = 5________________£_______-_______________

25

<7------17ЮС ЛП 6 + пУ — >1)с1е

к

Согласно формуле (16), сопротивление зависит не только от геометрических параметров слоя I и Э и параметров пузырьков Я, п, а, V, но и от молекулярных свойств граничной жидкости а и в.

В свою очередь, между поверхностным натяжением и температурой имеется следующая связь:

°" = °\ С1 - ,;г)

где Тк - критическая температура;

Т - температура жидкости вблизи катода.

Отрывной диаметр пузырька определяется величиной краевого угла в, который связан с коэффициентами поверхностного натяжения следующей зависимостью:

/г _

сое б? = -------------------.

а _

Величина поверхностного натяжения а _ т меняется по закону, отображенному электро-капиллярной кривой, т.е. уменьшается при увеличении потенциала электрода. Поскольку а _ не зависит от величины потенциала, а изменением величины а _ можно пренебречь, то увеличение по-

тенциала электрода приводит к уменьшению размеров пузырьков.

Наличие очень мелких пузырьков, медленно всплывающих на поверхность электролита, по-видимому, облегчает процесс вскипания приэлектродной жидкости, в силу чего частота прерываний больше при меньшей величине тока в момент прерываний [4].

При расчете сопротивления по формуле (16) встречаются трудности в экспериментальном определении перечисленных выше параметров. Поэтому на основании того, что между I, а, в существует геометрическая связь, пришлось упростить эту формулу с некоторыми допущениями. После чего она приняла вид

4(7 2

Г = д1--------------------------2- -------------

2-

т.е. сопротивление зависит от /, а и в.

іп в +--------------------------)1 dg

Чтобы использовать формулу (18) для установления зависимости между г и а, г и в, необходимо было найти толщину пузырькового слоя. По данным литературных источников и наших опытов, с достаточной достоверностью известно, что сплошной газовый слой (паровой слой) имеет среднюю толщину I = 0,005 см.

Во время перехода пузырькового слоя в сплошной, происходящего за тысячные доли секунды, средний объем газа пузырьков должен быть почти одинаков с объемом газа сплошного слоя. Такое допущение

л2

позволило найти связь между I и L. Оказалось, что среднее значение 1 = — L см.

п

При уменьшении коэффициента поверхностного натяжения сопротивление слоя незначительно возрастает. Дальнейшее уменьшение ст приводит к скачкообразному увеличению сопротивления до значительных величин. Очевидно, что это явление связано с образованием около катода сплошного газового слоя, когда ток проходит через него в виде газовых разрядов. Если бы напряжение было низким, то произошел бы разрыв электрической цепи, так как сопротивление увеличилось бы до бесконечности. Скачкообразное изменение сопротивления наблюдается для различных краевых углов при определенных коэффициентах поверхностного натяжения. Согласно проведенным исследованиям (в статье не приводятся), силы тока в зависимости от краевого угла, установлено, что i = 0 при в = 63°, когда ст = 20  10-3 мН/м. Это условие соответствует разрыву цепи.

Если подсчитать по формуле (17) температуру, при которой поверхностное натяжение слабого электролита (воды) равно 20^10-3 мН/м, то окажется, что Т = 270,47° С.

Эта температура почти совпадает с температурой окончательного перехода пузырькового кипения в пленочное.

При анализе формулы (14) оказалось:

1) если Т = Тк, то ст = 0, а г = «;

2) если 0 = 0, то г = > —, т.е. формула сопротивления приходит к своему начальному виду.

S

При малых краевых углах пузырьков не может образовываться сплошного газового слоя, так как сила поверхностного натяжения / = жхаЗпв = ) и пузырьки отрываются от поверхности катода раньше, чем

они сливаются. Таким образом, приведенные расчеты и экспериментальные материалы устанавливают достоверность формул (16) и (18), причем ими можно пользоваться для подсчета сопротивления пузырькового слоя.

Необходимо обратить внимание и на то, что сопротивление пузырькового слоя зависит не только от геометрических величин толщины слоя и площади катода, но и от молекулярных характеристик жидкости -коэффициента поверхностного натяжения, температуры, краевого угла, а также размеров пузырьков.

При переходе пузырькового слоя в сплошной большое значение имеют тепловые явления на границе катод-электролит. На основании формулы (18) сопротивления пузырькового слоя были найдены выражения для силы и плотности тока, напряжения и напряженности поля около катода. Оказалось: а) сила тока

Расчеты значений по формуле (20) для напряжения от 50 до 120 В дают величины плотности тока, равные 12-28 А/см2, совпадающие с плотностью тока, найденной осциллографированием.

Напряженность электрического поля в пузырьковом слое величина переменная. Однако, как показывают расчеты по формуле (21), перед переходом пузырькового слоя в сплошной напряженность Е = 2 - 2Д103 В/см.

Если на пузырьковом слое падение напряжения равно 100 В, то Е = 5-103 В/см. Следовательно, напряженность поля пузырькового слоя достаточно правильно подсчитывается по формуле (22).

Формулы (18)-(22) применимы только к процессам в электрической ванне, когда у катода существует пузырьковый слой. Процесс прохождения тока через электролитическую ванну довольно сложен и зависит от электролитических молекулярных, тепловых и химических явлений.

Нами был проведен эксперимент по получению электролитной плазмы при низком напряжении. Схема лабораторной установки для нагрева состоит из источника электрической энергии, коммутационного устройства, устройств контроля (амперметр, вольтметр) и регулирование (управляемый резистор), а также ванны с электролитом. В электрическую цепь ванны включалось последовательно сопротивление R=10 Ом, к которому подключался осциллограф.

Результаты эксперимента подтвердили теоретические предположения протекания электролитноплазменного нагрева и показали возможность возникновения кризиса теплоотдачи при кипении электролита и получения электролитно-плазменного нагрева при низком напряжении. Подтверждено, что в 15% водном растворе Na2CO3 нагрев начинается уже при 100 В, а при 120 В температура поверхности обрабатываемого образца достигает 12000 С. Также выявлено, что при снижении напряжения после стабилизации процесса до 80 В все еще сохраняется эффект нагрева, хотя и при меньшей температуре (порядка 5000С). Полученные факты позволяют в широких пределах регулировать скорость и температуру нагрева изменением напряжения и применение двухступенчатого нагрева. Первая ступень - включение повышенного напряжения на короткое время для стабилизации процесса, вторая - снижение напряжения до уровня, соответствующего требуемой температуре обработки.

Возможность проведения процесса при низком напряжении является наиболее существенным фактором для применения использования в условиях сельскохозяйственных ремонтных мастерских.

Литература

1. Бахарев, А.П. Нагрев металлов и сплавов в электролите / А.П. Бахарев, И.3. Ясногородский // Автомобильная и тракторная пром-сть. - 1956. - № 2. - С. 248-256.

2. Винин, В.С. Доповдо / В.С. Винин // Тр. АН УССР. - 1960. - № 6. - С. 239-243.

3. Замятин, М.М. Прогрессивные методы термообработки деталей машин и инструментов / М.М. Замя-

тин, Н.В. Зимин // Сб. докл. конф. - Л., 1966. - С. 45-54.

4. Ясногородский, И.З. Нагрев металлов и сплавов в электролите / И.3. Ясногородский. - М.: Машгиз,

1949. - С. 176-179.

'--------♦------------