10. Химические реакции. Горелки.

Температуры, которые можно получить, нагревая вещество в пламени горелки могут достигать несколько тысяч кельвин.

Так, температуры горения природного газа, распыленных нефтепродуктов составляют до 2000 К.

В реакции окисления циана

С₂N₂ + O₂ ® 2CO + N₂

температура горения составляет 4850 К . В реакции образования фторводорода Н₂ + F₂ ® 2HF

температура горения достигает 6000 К. На начальных стадиях взрыва (тринтротолуол) температуры могут возрастать до 5000 К. Температуру горения можно повысить путем электрической интенсификации (создания в области пламени высоковольтного слаботочного электрического разряда). Этот способ позволяет поднять температуру пламени газовой горелки от 2000 К до 5000 К.

11.Нагрев электромагнитными полями. Высокочастотными.

А. Низкочастотные поля.

Наиболее известны методы нагрева проводников электрическим

током. Если по проводнику течет постоянный ток I , а на концах

проводника поддерживается напряжение U , то за время t в проводнике

выделяется количество теплоты :

Q = U I t

Так как по закону Ома U =R I , то :

Q = R I2 t

(Закон Джоуля-Ленца).

Б. Высокочастотные поля.

При помещении проводника в переменное электромагнитное поле в

нем индуцируются токи, протекающие по замкнутым путям. Подобные

токи называют также вихревыми токами или токами Фуко . В массивных

проводниках большого сечения электрическое сопротивление мало,

поэтому как индукционные токи, так и выделяющееся джоулево тепло

могут достигать большой величины.

Тепловое действие вихревых токов используют в индукционных

печах, основной частью которых является катушка, питаемая

высокочастотным током большой силы. Вещества, помещаемые внутрь

катушки, могут разогреваться вихревыми токами до температуры

плавления.

Как показано на рисунке 19, нагрев с помощью энергии

электромагнитного поля часто осуществляют в условиях вакуума. Этим

способом устраняют потери тепла путем конвекции и теплопроводности, а

также предотвращают осуществление нежелательных химических реакций

(окисления) в воздушной среде.

Рисунок 19. Электромагнитный нагрев в вакууме. а) за счет

джоулева тепла при пропускании электрического тока через металл.

б) за счет токов Фуко в металле, помещенном в высокочастотное

электромагнитное поле.

12.Нагрев излучением. Лазером.

Высокая плотность потока энергии электромагнитного излучения

характерна для лазерных лучей. Современные конструкции лазерных

установок обеспечивают мощность лазерного излучения такую же как (а в

импульсном режиме – превосходящую) мощность индукционных

нагревателей, дуговой плазмы и т.п. Это ускорило развитие старых и

разработку новых методов лазерной обработки материалов (резка,

сверление, сварка, термоупрочнение….).

Так, при термоупрочнении лазерное излучение (интенсивный поток

фотонов с энергией hν ) передается почти без потерь к поверхности

металлов и, поглощаясь, обеспечивает выделение большой тепловой

энергии в тонком приповерхностном слое. В этом слое температура очень

быстро повышается до высоких значений, достаточных для

преобразования структуры материала (а, если необходимо, и для его

плавления). Благодаря перемещению луча вдоль детали (рисунок 20) в ее

объеме сохраняются относительно невысокие температуры.

Рисунок 20. Схема лазерной

закалки металла.

1 – зона закалки;

2 – глубина зоны закалки ;

3 – пятно фокусировки лазерного

излучение.

Внизу – распределение

температуры вдоль поверхности.

Основная проблема лазерного нагрева заключается в перенесении максимального количества энергии лазерного излучения в материал.

Поглощенная энергия зависит от поглощательных/отражательных свойств материала (которые, в свою очередь, определяются температурой и

шероховатостью поверхности, ее степенью окисления, длиной волны

лазерного излучения). Для лазерного нагрева наиболее широко используют

инфракрасные СО2 – лазеры с длиной волны излучения λ=10,6 мкм. Все

конструкционные металлы при нормальной температуре отражают

примерно 80 % такого изучения и поглощают лишь 20 % его энергии. С

достижением температуры плавления способность поглощать лазерное

излучение значительно возрастает. Плотность потока энергии лазерного

излучения, необходимая для начала плавления углеродистых и

коррозионно-стойких сталей составляет до 2⋅104 Вт/см2 . При меньших

плотностях потока возможна термообработка, бри больших – сварка и

резка металла.

На рисунке 21 показано изменение поглощательной способности А

коррозионной стали под воздействием излучения СО2-лазера (10,6 мкм).

Рисунок 21. Поглощательная

способность стали при различных

температурах (нижняя шкала),

достигаемых при изменении

плотности потока энергии

падающего излучения (верхняя

шкала)