Использование солнечной энергии для получения тугоплавких материалов



Развитие различных отраслей науки и техники неразрывно связано с поиском новых материалов, обладающих высокими свойствами в процессе эксплуатации в самых разнообразных условиях.

Результаты, полученные нашими и зарубежными учеными в области теории и практики использования солнечных печей для проведения различных высокотемпературных процессов, показывают перспективность их использования для осуществления технологических операций по получению различного рода огнеупорных материалов. Вопросам теории формирования концентрированных лучистых потоков в фокусах зеркальных солнечных установок посвящено большое количество работ, на основе которых созданы и разрабатываются высокотемпературные солнечные печи мощностью до 1000 кВт. В практике создания подобного рода установок особое место занимает концентрирующая оптическая система, которая определяет энергетические и температурные возможности установок, а также их стоимостные показатели. Существующие разработки и уровень технологии производства элементов солнечных печей позволяют осуществить их реализацию на высоком техническом уровне в зависимости от конкретного их назначения.

Анализ результатов в данной области показывает на ещё недостаточную эффективность широко применяемых способов плавки материалов, что ограничивает возможности солнечных печей. В связи с этим практически важным следует считать поиск новых, более современных способов проведения технологических процессов, которые бы позволили осуществлять производство различных материалов в промышленных масштабах с высоким коэффициентом использования концентрированной солнечной энергии.

Анализ рассмотренных методов плавки материалов показывает, что несмотря на те или иные недостатки, каждый из них может применяться в определенных условиях, тем не менее необходимо проводить поиск новых, более эффективных методов, обеспечивающих необходимые условия при обработке материалов различных классов. Особенное внимание при этом должно быть уделено максимальному использованию энергий излучения в фокальном объеме солнечных установок.

В связи с этим основные требования к методам проведения технологических процессов на солнечных печах могут быть сформулированы следующим образом:

1. Возможность обработки различного класса материалов независимо от их теплофизических и оптических свойств;
2. Максимальное использование концентрированного солнечного излучения в фокусе установки;
3. Непрерывность протекания технологического процесса;
4. Обеспечение контролируемой атмосферы при проведении процесса;
5. Минимальный расход обрабатываемого материала;
6. Формирование плавленых материалов заданных геометрических размеров;
7. Обеспечение в процессе обработки высокой чистоты материала;
8. Обеспечение необходимых условий при кристаллизации расплавленных веществ;
9. Высокая технологичность используемого оборудования, простота и надёжность в эксплуатации;
10. Возможность автоматического регулирования и контроля технологического процесса.

Такое сочетание достоинств в едином устройстве позволило получать с их помощью особо-чистые материалы, что привело к довольно широкому применению солнечных установок различной мощности для использования в высокотемпературной теплофизике и технологии [1,2].

Исходя из этих условий, привлекает внимание способ осевой плавки материалов, сформированных в цилиндрические стержни диаметром, соответствующим заданной плотности потока излучения в фокусе солнечной печи.

Исследование технологических процессов по плавке огнеупорных материалов будет проведено на высокотемпературной солнечной печи. Принципиальная схема солнечной печи представлена на рисунке-1 .

Рис. 1. Схема солнечной печи

Солнечная печь состоит из следующих основных элементов:

1. Ось;
2. Гелиостат;
3. Система управления гелиостатом;
4. Предметный стол, расположенный в рабочей зоне солнечной печи;
5. Шторной регулятор.

Солнечный концентратор представляет собой стеклянный параболоидный отражатель определенного диаметра. Угол раскрытия параболоида равен 120 . Концентратор будет снабжен шторным регулятором — 5, который позволяет регулировать плотность потока солнечного излучения в фокусе установки и изменить ширину зоны нагрева. Гелиостат солнечной печи будет выполнен по азимутально-зенитальной схеме.

Предметный столик будет состоять из координатного устройства, которое позволяет перемещать монтажную плиту в двух взаимно перпендикулярных плоскостях для обеспечения соответствующего расположения технологического оборудования относительно фокуса концентратора [3]. Одним из основных преимущества рассматриваемого способа плавки материалов является сравнительная простота технического решения технологической установки.

Принципиальная схема установки представлена на рисунке-2.

Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной установки

Установка состоит из электромеханизма 1, который обеспечивает скорость вращения вала в необходимом диапазоне с высокой стабильностью.

Регулирование напряжения, подаваемого электромеханизму будет производиться источником постоянного тока 2. Вал электромеханизма сочленен с проводом 3, который позволяет осуществлять возвратно-поступательное движение штока 4. Для предотвращения колебаний штока в процессе работы будет использована центрирующая обойма 5. На конце шторки установлен держатель образца 6. Вся установка закреплена на предметном столике солнечной печи таким образом, чтобы обеспечивались способность технологической установки с оптической осью солнечной печи [4,5].

Данная установка предназначена для технологической обработки веществ в атмосферных условиях. В случае необходимости проведения процессов в вакууме или контролируемой атмосфере при заданном давлении держатель с образцом может быть помещен в герметичную камеру, в которую поток солнечного излучения от концентратора подается через кварцевое окно.

Схема принципиальной установки представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки

Таким образом, использование предложенного принципа плавки, хотя и требует подготовительных операций по изготовлению образцов, позволяет использовать все световое время по сезонам года с максимальным использованием энергии излучения в зоне нагрева.

Эти обстоятельства определяют экономичность и целесообразность использования рассматриваемого способа плавки при эксплуатации высокотемпературных солнечных печей.

Рассматриваемый способ осуществления процесса плавки огнеупорных соединений предусматривает использование образцов цилиндрической формы различного диаметра, которые должны перемещаться о заданной скоростью череззону фокуса вдоль оптической оси высокотемпературной солнечной печи.

Огнеупорные соединения, в частности окись алюминия — Al ₂ O ₃ , окись иттрия — Y ₂ O ₃ , окись циркония — ZrO ₂ , пятиокись ниобия — Nb ₂ O ₅ , и другие, как правило поставляются в порошкообразном виде, следовательно, для получения образцов в цилиндрической форме необходимо осуществить их прессование.

Литература:

1. Шермазян Я. Т. и др. Большие солнечные высокотемпературные установки, их особенности и перспективы // “Гелиотехника”, 1969, № 6, с. 17–32.
2. Ласло Т. Оптические высокотемпературные печи // Москва: “Мир”, 1968, с. 32–34, 194–207.
3. Байрамов Р. И др. Техника эксперимента на высокотемпературной солнечной установке при синтезировании полупроводниковых материалов // В сб.: Солнечная энергия в народном хозяйстве Туркменской ССР, Ашхабад: “Ылым”, 1980, с. 88–95.
4. Аманов А., Корпеев Н. Р., Таганов К. Т. Технологические исследования на солнечных печах // Труды ТСХИ, т. 24, вып. 2, Ашхабад, 1981, с. 122–124.
5. Аманов А., Корпеев Н. Р., Таганов К. Т. Экспериментальная установка для плавки огнеупорных соединений на солнечной печи // Труды ТСХИ, т. 25, вып. 3, Ашхабад, 1982, с 125–131.