Контактного подогрева

При контактно-реактивной пайке между соединяемыми металлами или соединяемыми металлами и прослойкой промежуточного металла в результате контактного плавления образуется сплав, который заполняет зазор и при кристаллизации образует паяное соединение (рис. 5.52).

2) контактного плавления двух слоев (А+В) покрытий;

3) сочетания контактного плавления двух слоев (А+В) и частичного растворения третьего слоя (С), который может быть использован как барьерный или технологический слой;

Разработанные модели массопереноса для плоских слоев покрытий используют феноменологический аппарат диффузии, позволяющий моделировать кинетические закономерности массопереноса на движущихся межфазных границах, начиная со стадии смачивания (граничная кинетика растворения) и до полного исчезновения расплава ив зазора (изотермическая кристаллизация), включая кинетические особенности контактного плавления. В моделях применен метод интегрального решения уравнений диффузии для твердой и жидкой фаз при соответствующих начальных, граничных условиях и условии мас-собаланса на движущихся границах в полиномиальном приближении. Расхождение аналитических расчетов с численным моделированием не превышает 1—2%, а с экспериментом 5—10%.

Возможности нагрева полученных таким образом капсул для проведения опытов на воздухе при повышенных температурах (без нарушения целостности капсулы) ограничиваются лишь тугоплавкостью и стойкостью к окислению материала капсулы и температурой плавления испытываемых образцов. Следует также учитывать возможность контактного плавления [4], заключающегося в расплавлении соприкасающихся металлов при температуре плавления соответствующей эвтектики, меньшей чем температура плавления любого из находящихся в контакте металлов.

Соединение при пайке может быть получено и без предварительного введения припоя. В этом случае используется контактное плавление. Спаи, образующиеся при пайке в результате контактного плавления, относят к контактно-реакционным. При образовании этого вида спаев процесс ведется при температурах ниже точек плавления взаимодействующих металлов. Образование спаев при температуре пайки начинается за счет диффузионных процессов при отсутствии жидкой фазы.

В основе контактного плавления лежат диффузионные процессы. Диффузия в твердую фазу при наличии контакта взаимодействующих материалов может продолжаться до тех пор, пока концентрация второго компонента взаимодействующей пары в поверхностном слое не достигнет равновесного предела растворимости при данной температуре. После этого, если температура соответствует эвтектической или минимуму на линии солидуса, в системах начинается образование жидкой фазы. С момента ее возникновения дальнейшее взаимодействие контактирующих металлов происходит уже через слой расплава. Образование твердого раствора в поверхностном слое металлов, находящихся в , контакте с жидкой фазой, является процессом, непосредственно подготавливающим плавление этого слоя. Поэтому и после возникновения жидкой фазы контактное плавление рассматривается как процесс плавления твердых растворов, образовавшихся за счет диффузии атомов второго компонента из жидкости и ухода атомов первого компонента в жидкую фазу.

Принято считать, что с момента образования жидкой фазы заканчивается первая стадия контактного плавления, связанная с взаимной диффузией компонентов в твердой фазе и образованием твердых растворов. Эта стадия в общем случае описывается уравнением диффузии.

Вторая стадия контактного плавления определяется растворением твердых металлов в образовавшемся расплаве. При этом одновременно протекают два процесса — образование твердого раствора в поверхностных слоях взаимодействующих металлов за счет диффузии из жидкой фазы и растворение образующегося твердого раствора в жидкой фазе.

В зависимости от природы взаимодействующих металлов и температуры определяющими факторами второй стадии контактного плавления являются процессы, обусловленные или массо-переносом в твердую фазу через жидкую прослойку (образование перенасыщенных твердых растворов и их последующее плавление), или растворением твердого металла в жидком. При затвердевании расплава, образовавшегося при контактном плавлении двух металлов, возникают два спая, различных как по своей природе, так и по строению. Для определения направления развития процесса контактного плавления при постоянных температуре и давлении наиболее удобным критерием является изменение свободной энергии Гиббса. Зависимость свободной энергии от состава для твердой и жидкой фаз в двойных системах эвтектического типа при температурах выше эвтектической приведена на рис. 5. При наличии контакта между

взаимодействующими металлами I и II в системе должны возникать процессы, уменьшающие ее свободную энергию. Такими процессами могут быть диффузия в твердую фазу и контактное плавление образовавшихся в результате диффузии перенасыщенных твердых растворов. При диффузии уменьшение свободной энергии происходит вследствие образования твердых tx- и Р-растворов, при плавлении — в результате образования стабильной жидкой фазы. Поскольку процесс контактного плавления является необратимым, то для выяснения его направленности применены методы термодинамики необратимых процессов. Основным признаком необратимых процессов является возрастание энтропии, являющейся однозначной функцией состояния системы. Общее уравнение энтропии находится из термодинамического уравнения Гиббса. Зная энтропии всех фаз, участвующих в контактном плавлении, можно рассчитать изменение энтропии системы, которое разделяется на внешнее djs, обусловленное взаимодействием системы с внешней средой, и внутреннее dfS, обусловленное процессами, происходящими в самой системе. Основным критерием необратимости является положительное значение первой производной по времени от внутреннего изменения энтропии, или так называемого возникновения энтропии: dis/(dt) ^ 0.

Идея контактного подогрева воды уходящими газами котлов не нова. Еще в 1929 г. проф. А. К. Сильницкий предложил и осуществил установку контактного водяного экономайзера {Л. 1].

В послевоенные годы идея контактного подогрева воды уходящими дымовыми газами тепловых установок была вновь выдвинута и развита в работах доц. Г. Б. Пе-келиса (Институт энергетики БССР). Им разработаны вопросы теории процессов взаимодействия газов и воды, а также построена опытно-промышленная установка контактного экономайзера на отходящих продуктах сгорания фрезерного торфа [Л. 4—6].

Рис. 1-12. Зависимость предельной температуры контактного подогрева воды продуктами полного сгорания природного газа от их температуры, влагосодержания и коэффициента избытка вовдуха в них. a) «a-f(d, t)- б) 0„=/(а, О.

Рис. 1-13. Зависимость предельной температуры контактного подогрева воды продуктами полного сгораэия природного газа от их давления (при температуре газов 300 и 150° С).

Как видно из табл. 7-3, при 20%-ной подпитке вода в контактном экономайзере может быть нагрета до температуры мокрого термометра, являющейся предельной температурой контактного подогрева воды дымовыми газами. При этом часть воды может испариться и тем самым увеличить влагосодержание уходящих из экономайзера газов, ухудшив таким образом к. п. д. экономайзера.

Идея контактного подогрева воды уходящими газами тепловых установок не нова. Еще в 1929 г. проф. А. К. Силь-ницкий предложил конструкцию контактного водяного экономайзера для котельных установок [10]. Разработка контактных утилизаторов была впоследствии продолжена сотрудниками Ленинградской технической конторы «Оргэ-

В послевоенное время вопросы контактного подогрева воды дымовыми газами были развиты в теоретических работах Г. Б. Пекелиса [18, 19, 20]. Одновременно в Академии коммунального хозяйства РСФСР и ее Ленинградском научно-исследовательском институте были разработаны конструкции контактных газовых водогрейных котлов (водонагревателей), являющихся комплексными агрегатами для получения горячей воды и состоящих из топочного устройства и контактной камеры, т. е. установок, в которых подогрев воды осуществляется за счет газа, сжигаемого непосредственно в контактном агрегате [11, 22, 27]. В этот же период были предложены, а в некоторых случаях и осуществлены [6, 13] конструкции контактных газовых экономайзеров для подогрева воды уходящими газами газифицированных котлов.

Определенные с помощью построенных /d-диаграмм значения температуры мокрого термометра (предельной температуры контактного подогрева воды) в зависимости от температуры, влагосодержания и общего давления дымовых газов, а также коэффициента избытка воздуха приведены на рис. 18, 19, 20. Как видно из приведенных дан-

Рис. 18. График зависимости предельной температуры контактного подогрева воды продуктами полного сгорания природного газа от их влагосодержания и температуры.

Рис. 19.' График зависимости предельной температуры контактного подогрева воды продуктами полного сгорания природного газа от их температуры и коэффициента избытка воздуха в них.

Рис. 20. График зависимости предельной температуры контактного подогрева воды продуктами полного сгорания природного газа от их давления (при температуре газов 1800° С).