Искры короткого замыкания

 

При коротком замыкании возникают искры, которые имеют начальную температуру 2100 ^оС и способны воспламенить ЛВЖ и взорвать газ.

Начальная температура медной капли 2100 ^оС [4]. Высота, на которой происходит короткое замыкание, 1 м, а расстояние до лужи ЛВЖ 4 м. Диаметр капли d_к=2,7 мм или d_к=2,7*10^-3 [4].

Количество теплоты, которое капля металла способна отдать горючей среде при остывании до температуры её воспламенения, рассчитывается следующим образом: среднюю скорость полёта капли металла при свободном падении w_ср, м/с, вычисляют по формуле

 

, (19)

 

где g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с²;

Н – высота падения, 1 м.

Получаем, что средняя скорость полёта капли при свободном падении

 

=2,215 м/с.

 

Продолжительность падения капли t может быть рассчитана по формуле

 

с. (20)

 

Затем вычисляют объём капли V_к по формуле

 

м². (21)

 

Масса капли m_к, кг:

 

, (22)

 

где - плотность металла в расплавленном состоянии, кг*м^-3.

Плотность меди в расплавленном состоянии (по данным преподавателя) равна 8,6*10³ кг/м³, а масса капли по формуле (22)

 

m_к=8,6*10³*10,3138*10^-9=8,867*10^-5

Время полёта капли металла в расплавленном (жидком) состоянии t_р, с.:

 

, (23)

 

где С_р – удельная теплоёмкость расплава материала капли, для меди С_р=513 Дж*кг^-1*К^-1;

S_к – площадь поверхности капли, м², S_к=0,785d_к²=5,722*10^-6;

Т_н, Т_пл – температура капли в начале полёта и температура плавления металла, соответственно, Т_н=2373 К, Т_пл=1083 К [6];

Т_о – температура окружающего воздуха, Т_о=293 К;

- коэффициент теплоотдачи, Вт*м^-2*К^-1.

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается следующей последовательности:

1) сначала вычисляют число Рейнольдса

 

, (24)

 

где v=1,51*10^-5 1/(м²*с) [4] – коэффициент кинематической вязкости воздуха при температуре 293 К,

 

=3,9*10²

 

2) затем – критерий Нуссельта

 

=12,338. (25)

 

3) далее – коэффициент теплоотдачи

 

, (26)

 

где =2,2*10^-2 Вт*м^-1*К^-1 [4] – коэффициент теплопроводности воздуха,

 

=1*10 ² Вт*м^-2*К^-1.

 

Рассчитав коэффициент теплоотдачи найдем время полёта капли металла в расплавленном (жидком) состоянии по формуле (23)

 

=3,615 с.

 

Так как t<t_р, то конечную температуру капли определяют по формуле

 

=

=2373 К. (27)

 

Температура самовоспламенения пропана 466 ^оС, а температура капли (искры) к моменту подлета её к луже ЛВЖ 2373 К или 2100 ^оС. При данной температуре изопрен возгорится и будет устойчиво гореть, а пропан взорвется ещё при возникновении искры короткого замыкания. Температура вспышки изопрена -48⁰С.

 

Искры электросварки

 

При сварке происходит разлет частиц железа.

Необходимо учесть, что сварка ведется на разных высотах (1 и 3 метра), поэтому сначала рассчитаем общие значения для капли железа.

Для капли железа, диаметром d_к=1,9*10^{-3 м, находим по формуле (21)}

 

м³.

 

Если плотность железа в расплавленном состоянии =6,5*10^*3 кг/м³, то масса капли железа по формуле (22) равна

 

=2,3*10^{-5 кг.}

 

Площадь поверхности капли железа S_к=2,83*10^{-6 м2}.Исходя их того, что площадь капли находится по формуле Πd²/4.

Удельная теплоёмкость расплава железа С_р=600 Дж*кг^-1*К^-1.

Температура капли в начале полета Т_н=3273 К.

Температура плавления железа Т_пл=1811 К.

Температура окружающего воздуха Т_о=293 К.

 

Теперь необходимо рассчитать по отдельности для разных высот:

а) сварка происходит на высоте 1 м.

Средняя скорость полёта капли железа при свободном падении по формуле (19)

 

=2,2 м/с.

 

Продолжительность падения капли железа t по формуле (20) равна

 

с.

 

Число Рейнольдса для железа по формуле (24) будет равно

 

=2,8*10² (м²∙с)^-1

Критерий Нуссельта по формуле (25)

 

=1*10¹.

 

Коэффициент теплоотдачи по формуле (26)

 

=1,2*10² Вт*м^-2*К^-1.

 

Рассчитав коэффициент теплоотдачи найдем время полёта капли металла в расплавленном (жидком) состоянии по формуле (23)

 

=2,8*10¹ с.

 

Так как t<t_р, то конечную температуру капли определяют по формуле (27)

 

=3,2*10³ К.

 

б) сварка происходит на высоте 3 м.

Средняя скорость полёта капли железа при свободном падении по формуле (19)

 

=3,8 м/с.

 

Продолжительность падения капли железа t по формуле (20)

 

с.

 

Число Рейнольдса для железа по формуле (24) будет равно

 

=4,8*10² (м²∙с)^-1

Критерий Нуссельта по формуле (25)

 

=13,62.

 

Коэффициент теплоотдачи по формуле (26)

 

=1,6*10² Вт*м^-2*К^-1.

 

Рассчитав коэффициент теплоотдачи найдем время полёта капли металла в расплавленном (жидком) состоянии по формуле (23)

 

=2,1*10¹ с.

 

Так как t<t_р, то конечную температуру капли определяют по формуле (27)

 

=3,2*10³ К.

 

Из двух рассмотренных случаев возникновения искры от электросварки, самая низкая температура искры наблюдается во втором случае при H =3м и равна 3183 К или 2910 ^оС. Температура самовоспламенения пропана 466 ^оС, поэтому от искры электросварки произойдет возгорание изопрена и взрыв пропана. Температура вспышки изопрена -48⁰С