Электрообмен в системе конденсированная дисперсная фаза и нагретая частица титана
Вантажиться...
Дата
2020
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Одеський національний університет імені І. І. Мечникова
Анотація
Представлены результаты исследований частиц титана с размером 10 – 100 мкм,
нагретых выше температуры плавления. Приведена схема и фотографии экспериментальной установки, которая состоит из генератора нагретых частиц титана, блока
температурных измерений, включающего в себя фотоэлектрический датчик температуры движущихся частиц, блока измерения электрического заряда, состоящего из
вертикальных плоских параллельных заряженных металлических пластин, блока измерения скорости движения частиц. Экспериментально показано, что вокруг таких
частиц образуется конденсированная дисперсная фаза, к-фаза, которая при движении
частиц в воздушной среде состоит из наночастиц окислов титана. Результаты электронномикроскопического исследования конденсированной дисперсной фазы показали,
что размер частиц конденсированной дисперсной фазы лежит в пределах 5 - 100 нм и
зависит от начальных условий. Приведены теоретические расчеты, определяющие
электрообмен в системе нагретая сферическая частица и окружающая ее конденсированная дисперсная фаза, которые показали совпадение с экспериментальными данными в пределах ошибки измерений, а заряд частиц оказался порядка сотен тысяч -
миллиона зарядов электрона. Теоретическое исследование кинетики термоэмиссионной зарядки частиц титана показало, что время накопления 95% равновесного заряда
частицы при температурах 3000 – 2200 К соответственно составило 14 нс – 33 мкс.
При температуре 2000 К время накопления 85 % равновесного заряда составило 240
мкс. При температуре 1400 К время накопления 91% равновесного заряда той же
частицы составляет 610 мкс. Проведенные оценки показали, что за время релаксации
заряда для частицы титана при температуре большей 1400 К последнее практически
не меняется. Это позволяет считать процесс термоэмиссионной зарядки частиц в
данных условиях квазистационарным. Полученные результаты могут быть использованы в исследованиях процессов электрообмена в аэродисперсных системах при высоких температурах. Развитая модель термоэлектронной зарядки частиц позволяет в
дальнейшем использовать её для моделирования поведения к-фазы вблизи нагретых
частиц, а также для других целей. Полученные результаты показывают удовлетворительное соответствие между экспериментальными и расчетными значениями заряда.
Представлені результати досліджень частинок титану з розміром 10 - 100 мкм, нагрітих вище температури плавлення, у повітрі. Наведено схему і фотографії експериментальної установки, яка складається з генератора нагрітих частинок титану, блоку температурних вимірювань, що включає в себе фотоелектричний датчик температури рухомих частинок, блоку вимірювання електричного заряду, що складається з вертикальних плоских паралельних заряджених металевих пластин, блоку вимірювання швидкості руху частинок. Експериментально показано, що навколо таких частинок утворюється конденсована дисперсна фаза - к-фаза - яка при русі частинок в повітряному середовищі складається з наночастинок оксидів титану. Результати дослідження конденсованої дисперсної фази методом електронної мікроскопії показали, що розмір часток конденсованої дисперсної фази знаходиться в межах 5 - 100 нм і залежить від початкових умов. Наведено теоретичні розрахунки, що визначають електрообмін в системі нагріта сферична частка і оточуюча її конденсована дисперсна фаза, які показали збіг з експериментальними даними в межах похибки вимірювань, а заряд частинок виявився порядку сотень тисяч - мільйону зарядів електрона. Теоретичне дослідження кінетики термоемісійної зарядки частинок титану показало, що час накопичення 95% рівноважного заряду частинки при температурах 3000 - 2200 К відповідно складав 14 нс - 33 мкс. При температурі 2000 К час накопичення 85% рівноважного заряду складав 240 мкс. При температурі 1400 К час накопичення 91% рівноважного заряду тієї ж частинки становив 610 мкс. Проведені оцінки показали, що за час релаксації заряду для частки титану при температурі більшій, ніж 1400 К, час зарядки практично не змінюється. Це дозволяє вважати процес термоемісійної зарядки частинок у даних умовах квазістаціонарним. Отримані результати можуть бути використані в дослідженнях процесів електрообміну в аеродисперсних системах при високих температурах. Розвинена модель термоелектронної зарядки частинок дозволяє в подальшому використовувати її для моделювання поведінки к-фази поблизу нагрітих частинок, а також для інших цілей. Отримані результати показують задовільну відповідність між експериментальними і розрахованими значеннями заряду.
The results of studies of titanium particles with diameters from 10 to 100 microns heated above the melting point in air are presented. A diagram and photographs of an experimental facility are shown. It consists of a generator of heated titanium particles, a temperature measurement unit, which includes a photoelectric temperature sensor for moving particles, an electric charge measurement unit, consisting of vertical flat parallel charged metal plates, and a unit for measuring particle velocity. It has been experimentally established that around such particles when they move in air a condensed dispersed phase – c-phase – consisting of titanium oxides nanoparticles is formed. The results of electron microscopy studies of the condensed dispersed phase has shown that the particle size of the condensed dispersed phase lies in the range of 5 - 100 nm and depends on the initial conditions. Theoretical calculations that determine the electro-exchange in the system of a heated spherical particle and the condensed dispersed phase surrounding it has shown the agreement with the experimental data within the measurement error, and the particle charge was on the order of hundreds of thousands – a million of electron charges. A theoretical study of the kinetics of thermionic charging of titanium particles has shown that the accumulation time of 95% of the equilibrium particle charge at temperatures of 3000–2200 K was 14 ns – 33 μs, respectively. At the temperature of 2000 K, the accumulation time of 85% of the equilibrium charge was 240 μs. At the temperature of 1400 K, the accumulation time of 91% of the equilibrium charge of the same particle was 610 μs. Estimates have shown that during a charge relaxation time for a titanium particle at temperatures greater than 1400 K the time of charging practically does not change. This allows us to consider the process of thermionic charging of particles under these conditions as quasistationary. The results can be used in studies of the processes of electroexchange in aerodispersive systems at high temperatures. The developed model of thermionic charging of particles allows its further use to simulate the behavior of the c-phase around heated particles, as well as for other purposes. The obtained results show a satisfactory agreement between the experimental and calculated values of the charge.
Представлені результати досліджень частинок титану з розміром 10 - 100 мкм, нагрітих вище температури плавлення, у повітрі. Наведено схему і фотографії експериментальної установки, яка складається з генератора нагрітих частинок титану, блоку температурних вимірювань, що включає в себе фотоелектричний датчик температури рухомих частинок, блоку вимірювання електричного заряду, що складається з вертикальних плоских паралельних заряджених металевих пластин, блоку вимірювання швидкості руху частинок. Експериментально показано, що навколо таких частинок утворюється конденсована дисперсна фаза - к-фаза - яка при русі частинок в повітряному середовищі складається з наночастинок оксидів титану. Результати дослідження конденсованої дисперсної фази методом електронної мікроскопії показали, що розмір часток конденсованої дисперсної фази знаходиться в межах 5 - 100 нм і залежить від початкових умов. Наведено теоретичні розрахунки, що визначають електрообмін в системі нагріта сферична частка і оточуюча її конденсована дисперсна фаза, які показали збіг з експериментальними даними в межах похибки вимірювань, а заряд частинок виявився порядку сотень тисяч - мільйону зарядів електрона. Теоретичне дослідження кінетики термоемісійної зарядки частинок титану показало, що час накопичення 95% рівноважного заряду частинки при температурах 3000 - 2200 К відповідно складав 14 нс - 33 мкс. При температурі 2000 К час накопичення 85% рівноважного заряду складав 240 мкс. При температурі 1400 К час накопичення 91% рівноважного заряду тієї ж частинки становив 610 мкс. Проведені оцінки показали, що за час релаксації заряду для частки титану при температурі більшій, ніж 1400 К, час зарядки практично не змінюється. Це дозволяє вважати процес термоемісійної зарядки частинок у даних умовах квазістаціонарним. Отримані результати можуть бути використані в дослідженнях процесів електрообміну в аеродисперсних системах при високих температурах. Розвинена модель термоелектронної зарядки частинок дозволяє в подальшому використовувати її для моделювання поведінки к-фази поблизу нагрітих частинок, а також для інших цілей. Отримані результати показують задовільну відповідність між експериментальними і розрахованими значеннями заряду.
The results of studies of titanium particles with diameters from 10 to 100 microns heated above the melting point in air are presented. A diagram and photographs of an experimental facility are shown. It consists of a generator of heated titanium particles, a temperature measurement unit, which includes a photoelectric temperature sensor for moving particles, an electric charge measurement unit, consisting of vertical flat parallel charged metal plates, and a unit for measuring particle velocity. It has been experimentally established that around such particles when they move in air a condensed dispersed phase – c-phase – consisting of titanium oxides nanoparticles is formed. The results of electron microscopy studies of the condensed dispersed phase has shown that the particle size of the condensed dispersed phase lies in the range of 5 - 100 nm and depends on the initial conditions. Theoretical calculations that determine the electro-exchange in the system of a heated spherical particle and the condensed dispersed phase surrounding it has shown the agreement with the experimental data within the measurement error, and the particle charge was on the order of hundreds of thousands – a million of electron charges. A theoretical study of the kinetics of thermionic charging of titanium particles has shown that the accumulation time of 95% of the equilibrium particle charge at temperatures of 3000–2200 K was 14 ns – 33 μs, respectively. At the temperature of 2000 K, the accumulation time of 85% of the equilibrium charge was 240 μs. At the temperature of 1400 K, the accumulation time of 91% of the equilibrium charge of the same particle was 610 μs. Estimates have shown that during a charge relaxation time for a titanium particle at temperatures greater than 1400 K the time of charging practically does not change. This allows us to consider the process of thermionic charging of particles under these conditions as quasistationary. The results can be used in studies of the processes of electroexchange in aerodispersive systems at high temperatures. The developed model of thermionic charging of particles allows its further use to simulate the behavior of the c-phase around heated particles, as well as for other purposes. The obtained results show a satisfactory agreement between the experimental and calculated values of the charge.
Опис
Ключові слова
титан, оксид титана, горение, обмен зарядов, наночастицы, оксид титану, горіння, обмін зарядів, наночастинки, titanium, titanium oxide, combustion, charge exchange, nanoparticles
Бібліографічний опис
Фізика аеродисперсних систем = Physics of aerodisperse systems