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 1 см³.

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.

Спектр излучения этих ламп близок к спектру излучения солнца, благодаря чему установки с дуговыми лампами высокой интенсивности используют как имитаторы солнца.

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.