Солнечные печи
Доклад
Солнечные печи
печь излучение энергетический солнечный
Первым источником нагрева, который был применен в оптических нагревательных системах, было солнце. Еще в 1741 г. М.В. Ломоносов предложил идею создания высокотемпературной солнечной печи. В 1890 г. В.К. Цесарский провел опыты по расплавлению почти всех известных тогда металлов и металлоидов с помощью концентрированных солнечных лучей.
Для получения сфокусированного луча с энергетической плотностью1000 вт/см2 и выше на площади в несколько квадратных сантиметров необходим источник излучения с достаточно большими угловыми размерами и энергетической яркостью, в несколько раз превышающей 1000 вт/см2.
Из естественных источников энергии этому требованию удовлетворяет только Солнце с поверхности которого излучается энергия порядка 10 квт/см2. На границе земной атмосферы солнце создает облученность равную 1400 вт/см2. На поверхности земли, на широте средней полосы облученность составляет примерно 840 вт/см2. Это излучение Солнца используют в гелиоустановках для излучения, в частности, высоких температур - вплоть до 4000 К при теплофизических исследованиях различных материалов.
Первая современная солнечная печь была построена в 1921 г. в Германии. В настоящее время известно достаточно большое число различных солнечных печей, которые можно разделить на 2 группы:
1)печи непосредственного слежения за Солнцем;
2)печи с гелиостатом.
Все они характеризуются наличием параболоидного зеркального отражателя, концентрирующего излучение Солнца в фокальной плоскости.
Большинство печей снабжено гелиостатом - плоским зеркалом, направляющим солнечные лучи на концентратор с помощью механизма слежения за положением солнца. Многие современные печи оборудованы системой регулирования температуры в фокальной (рабочей) плоскости установки и приборами для измерения температуры испытуемых или обрабатываемых материалов.
Солнечные печи, как и все оптические печи, оборудованы камерой для помещения в нее испытуемого образца, в которой осуществляется нагрев или термическая обработка материалов при высоких температурах в условиях вакуума или какой-либо контролируемой среды.
С помощью солнечных печей, имеющих достаточно большой диаметр концентратора и хорошие отражающие свойства, на образцах с малой теплопроводностью и высокими поглощающими свойствами были достигнуты температуры до 3700 0С. Эти температуры нагрева являются реально достигнутыми на промышленных установках. Теоретические расчеты показывают, что при повышении точности изготовления поверхностей отражателей могут быть получены температуры порядка 3900 0С.
Однако работа солнечных печей в значительной степени зависит от климатических условий и погоды в районе, где она установлена. Поэтому в солнечной печи трудно поддерживать сколько-нибудь длительное время постоянную желаемую температуру.
В то же время солнечные печи при использовании отражателей больших размеров (25 м и более) позволяют получать облученности, достаточные для достижения температур выше 3000 0С в фокальном пятне диаметром 36 см.
Необходимость получения высокоинтенсивных и стабильных во времени лучистых потоков привела в настоящее время ко все более широкому использованию в оптических печах различных высокотемпературных искусственных источников, спектр которых достаточно близок к солнечному.
Первыми установками радиационного нагрева, в которых в качестве источников излучения применяли искусственные излучатели, были установки с лампами накаливания, нихромовыми спиралями и графитовыми нагревательными элементами, использованные для сушки материалов инфрокрасными лучами. Эти установки обеспечивают нагрев образцов до 150 - 250 0С.
Оптические печи с лампами накаливания позволяют получать температуру в фокальном пятне 1000-1500 0С.
Оптическая печь с графитовым нагревательным элементом обеспечивает нагрев материалов до 1700 0С и применяется для плавки стали, испытание высокотемпературных термопар и др. Излучателем является графитовый элемент в виде полусферической чаши. Он разрезан так, что продольные прорези в графите позволяют получать длину нагревателя равную двум метрам при сечении 1см3.
Оптические печи с дуговой лампой высокой интенсивности является наиболее распространенными. Применение дуговой лампы высокой интенсивности в качестве источника лучистой энергии позволило создать установки с различными по мощности лучистыми потоками.
Оптические печи с дуговой лампой высокой интенсивности отличаются большими габаритами из-за значительных размеров лампы и концентраторов. В этих печах сложно поддерживать с достаточной степенью точности постоянного лучистого потока из-за большой скорости сгорания углей, поэтому время рабочего цикла печи небольшое (замену углей осуществляют в среднем через каждые 15 минут). Оптические печи с дуговой лампой высокой интенсивности используют для выращивания монокристаллов полупроводниковых материалов, для зонной плавки металлов, изучения физико-химических свойств различных материалов при высоких температурах и в других случаях высокотемпературного нагрева образцов.
Оптические печи с газоразрядными источниками излучения. Применение ксеноновых ламп в качестве источника излучения в оптических печах позволило устранить большинство недостатков, присущих установкам с дуговыми лампами высокой интенсивности. Оптические печи с ксеноновыми лампами сверхвысокого давления в которой создается температура нагрева 1500-2000 0С, в ней не выделяются газы, загрязняющие окружающую среду, это объясняется тем, что дуговой разряд происходит в герметичном баллоне.
Особенности оптических печей.
Оптические печи характеризуются рядом следующих особенностей, которые в сочетании с источником излучения определяют возможности и методические приемы их использования:
а) создание лучистых потоков большой плотности (1000 вт/см2), чем обеспечивается высокотемпературный нагрев практически любых материалов независимо от их электрических, магнитных и др. свойств;
б) относительно небольшое количество направляемой в фокальное пятно энергии. Поступающий в рабочую зону лучистый поток определяется размерами зеркал, оптической системой установки, мощностью и спектральным составом источника излучения.
Рабочая зона печи по объему невелика (определяется несколькими кубическими сантиметрами), благодаря чему только некоторая часть образца больших размеров находится в зоне высоких температур, остальные участки остаются холодными и нагреваются значительно меньше за счет теплопроводности материала. Благодаря этому нагреваемый материал контактирует с тиглем или держателями в зоне пониженных температур. Это позволяет избежать опасности реакции или загрязнения образца материалом тигля, что может произойти при высоких температурах.
Образцы нагревают как на воздухе, так и в специальной камере из материала, прозрачного для лучистого потока. В камере может быть создана любая желаемая среда. Этим обеспечивается необходимая степень чистоты обрабатываемого материала.
Образец в камере может быть закреплен с помощью игольчатых держателей, чем обеспечивается его минимальный контакт с другими материалами.
Измерения исследуемых параметров материалов могут быть выполнены непосредственно во время нагрева их до высоких температур.
Возможность непрерывной и стабильной работы в печах с искусственным источником излучения целиком зависит от режима работы примененной лампы. Стабильность лучистого потока зависит от стабильности выходных параметров источников питания.
Одной из особенностей присущей любым оптическим печам (солнечным или с искусственным излучателем), является неравномерное распределение плотности лучистой энергии в фокальном пятне. Это объясняется, с одной стороны, неравномерной лучистостью источника излучения, а с другой - законами отражения геометрической оптики.
Указанная особенность выражается в том, что величина плотности лучистого потока в фокальном пятне оптической печи спадает от максимального значения в центре к краям пятна.
Неравномерная плотность лучистого потока в фокальном пятне приводит к созданию температурных градиентов на поверхности облучаемых образцов. Это явление может быть частично устранено перераспределением плотности лучистого потока, отраженного о концентратора.
Характерной особенностью большинства оптических печей является возможность механического регулирования плотности потока в пятне. Механическое регулирование основано на уменьшении суммарного лучистого потока, попадающего в рабочую зону установки, за счет чего понижается температура нагрева образца. Такое регулирование можно осуществить, применяя затенители различного типа.
В оптических печах с различными оптическими системами и источниками излучения удельная мощность колеблется от 100 до 1000 вт/см2 и выше, обеспечивая при этом температуру нагрева реального тела в пределах 500 - 3500 0С. Если нагреваемое тело представляет собой полость диаметром, равным рабочему пятну печи, то весь тепловой поток затрачивается на нагрев тела и в печи могут быть достигнуты максимальные температуры. Если же в фокальной плоскости поместить плоскую пластину, по размеру равную диаметру пятна, то часть падающего лучистого потока расходуется на отражение от нее, в результате чего температура тела будет ниже, чем в первом случае. Охлаждение пластины произойдет за счет излучения нагретой поверхностью
Срок службы оптических печей определяется сроком службы ламп и концентраторов.