Экспериментальное исследование теплопереноса инфракрасными галогенидсеребряными световодами : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 01.04.14

В современной науке для исследования замкнутых систем широко используется метод, основанный на введении в них определенных входящих параметров, на основании изменения которых на выходе, судят о строении системы и процессах, происходящих внутри неё. Простота данного подхода обманчива, поскольку, как только требуется описание реальной системы, возникают трудности. Данная проблема относится и к областям теплоэнергетики и теплотехники, где для различных объектов необходимо проводить удаленное измерение и анализ тепловых свойств и параметров, которые являются ключевыми для понимания и управления внутренними процессами. Получение таких данных позволит, в прикладном плане, создавать более эффективные системы управления аппаратами. Поэтому особенно актуальным направлением является разработка новых аппаратных методик исследований, призванных больше рассказать о внутреннем содержании замкнутых систем.
Примерами замкнутых систем являются газовые и паровые турбины, при эксплуатации которых важно проводить анализ состояния деталей и механизмов, тем самым давая возможность заранее прогнозировать выход из строя определенного узла и своевременно его заменить, предотвратив поломку всей турбины. При этом особый интерес представляет изучение пусковых режимов энергетического оборудования. Классическим примером замкнутой системы является человеческое тело. Диагностирование онкологических заболеваний, постановка и подтверждение диагнозов заболеваний внутренних органов, проведение инвазивных медицинских операций требует применения принципиально новых методик и средств дополнительной визуализации. Кроме того, не решена проблема теплового контроля в экстремальных условиях, таких как рабочее пространство внутри двигателей, турбин, печей, вблизи сварочной поверхности, внутри трубопроводов, областях сверхнизких температур и множества других применений.
В предыдущих работах [А. Кацир, Т. Кацуяма, И. Г. Лисицкий] высказывалась гипотеза о возможности применения инфракрасных световодов для передачи информации о температуре и тепловых полях различных нагретых объектов в стационарном режиме. Однако, до настоящего момента проведение подробных изысканий сдерживалось необходимостью разработки технологий производства инфракрасных световодов на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия с заданными параметрами [Л. В. Жукова, А. С. Корсаков]. Методы определения базовых теплофизических свойств оптических кристаллов и волокон различного состава разрабатывались различными авторами [А. С. Старостин, П. А. Попов, Ю. А. Шихов].
6
В настоящей работе в качестве среды для передачи теплоты от нагретых тел предлагается использовать инфракрасные световоды, изготовленные методом экструзии из кристаллов систем AgCl – AgBr, AgBr – TlI. Подобные световоды оптически прозрачны в инфракрасном спектральном диапазоне от 2,5 до 25,0 мкм, что соответствует температурному диапазону от – 200 до 1200 °C, который является рабочим практически для всех современных приборов и аппаратов. Преимуществом применения таких кристаллических инфракрасных световодов является то, что энергия по ним проводится по излучательному механизму, который значительно превосходит способы передачи энергии в форме теплоты по механизмам теплопроводности и конвекции, а ограничивается лишь оптическими свойствами. Используемые в настоящее время кристаллические инфракрасные световоды на основе кристаллов галогенидов серебра и одновалентного таллия обладают показателем преломления от 2,0 до 2,2. Поэтому средняя скорость передачи составляет 1,33·105 км/с и, соответственно, время отклика – доли секунды. Кроме того, такие оптические волокна обладают малым коэффициентом оптических потерь, повышенной фотостойкостью, оптимальной твердостью и гибкостью, а также могут использоваться для изготовления оптических кабелей с различным разрешением.
Целью настоящей работы является комплексное экспериментальное исследование характеристик переноса энергии в форме теплоты инфракрасными световодами на основе кристаллов твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
1. разработать технологию получения световодов малого диаметра прозрачных в диапазоне длин волн от 2,5 до 25,0 мкм;
2. исследовать возможность передачи информации о температурных полях (тепловых изображениях) по сборке световодов на основе твердых растворов галогенидов серебра;
3. установить характеристики импульсной теплопередачи световой энергии через инфракрасные кристаллические световоды;
4. определить основные теплофизические свойства материалов в готовых изделиях;
5. разработать методики и конструктивное исполнение внедрения результатов работы в
различных областях техники.
Для достижения вышеобозначенной цели, из предварительно полученной шихты,
синтезированной методом термозонной кристаллизации-синтеза, были выращены кристаллы твердых растворов систем AgCl – AgBr, AgBr – TlI. Рост кристаллов осуществлялся в установке, реализующей метод Бриджмена. Для оценки качества

7
полученных кристаллов были изучены их оптические свойства, в том числе по методу Майкельсона определены показатели преломления и с помощью ИК-Фурье спектрометра измерены спектры пропускания. На основе выращенных кристаллов методом экструзии были изготовлены инфракрасные кристаллические световоды. Более подробно технология производства световодов рассмотрена во второй главе.
В третьей главе методом инфракрасной термографии экспериментально показана принципиальная возможность передачи энергии в форме теплоты и теплового (термического) изображения по сборке световодов, а также определены факторы, влияющие на передачу тепловизионного изображения по инфракрасным световодам, и предложены рекомендации по их учету и минимизации потерь. Исследованы качественные и количественные характеристики передачи тепловой энергии по инфракрасным световодам при непрерывном и импульсном режимах передачи, на основании сравнения которых показана высокая эффективность работы в импульсном режиме. Для решения этой задачи была разработана методика и создана новая оптико-электронная система, предназначенная для получения и исследования импульсного режима передачи теплового излучения по инфракрасным световодам от тел, излучающих в инфракрасном диапазоне (7,0 – 9,0 мкм) длин волн. Предложена методика расчета и введено понятие коэффициента теплопереноса, в основу которой легла феноменологическая радиационно-кондуктивная теория сопряженного теплопереноса. Экспериментальные данные, необходимые для расчетов, были получены при помощи разработанной и сконструированной новой лабораторной установки для определения коэффициентов теплопереноса стержней малого диаметра, реализующей метод продольного теплового потока. Кроме того, впервые получены значения важнейших теплофизических свойств инфракрасных световодов, включающие в себя зависимость коэффициенты теплопереноса, данные о коэффициенте температуропроводности и удельной теплоемкости. Следует отметить, что в этой главе, учитывая начальный уровень изучения проблемы, приведено подробное деление на подпункты (разделы 3.1.2.1, 3.1.2.2, 3.3.3.1 и 3.3.3.2), что позволяет расставить акценты на само влияние отдельных факторов.
В четвертой главе представлен ряд предложений по практическому использованию световодов, изготовленных из кристаллов систем AgCl – AgBr, AgBr – TlI, в различных областях науки и техники.
Продемонстрированная в диссертационной работе возможность передачи теплоты и теплового изображения по инфракрасным световодам может использоваться для проведения термического контроля в различных областях техники. Приведенные данные

8
об основных теплофизических свойствах световодов на основе галогенидов серебра и одновалентного таллия могут использоваться для проведения различных научных и конструкторских расчетов. Результаты диссертационного исследования по своему научному содержанию могут служить основой для разработки класса оптоволоконных приборов, реализующих метод удаленной инфракрасной термографии.
Научные результаты и выводы, сформулированные в диссертации, подтверждаются надежной статистикой эксперимента, воспроизводимостью полученных данных и использованием современного оборудования, прошедшего аттестацию, а также согласованием с данными других авторов о кондуктивном и радиационном теплообмене. Применяемые теоретические представления и методы обработки при анализе данных не противоречат существующим положениям науки. Материалы диссертационной работы докладывались на российских и международных конференциях и опубликованы в ведущих теплофизических журналах.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Расчеты условий проведения термозонной кристаллизации-синтеза, режимы роста
кристаллов и подобранные параметры экструзии.
2. Результаты экспериментального определения возможности передачи теплоты и
теплового изображения по сборке световодов на основе кристаллов галогенидов
серебра и одновалентного таллия.
3. Рекомендации по учету факторов и минимизации потерь, влияющих на передачу
тепловизионного изображения по инфракрасным световодам.
4. Новая методика расчета коэффициента теплопереноса на основании данных,
полученных экспериментальным путем.
5. Экспериментально и численно полученные значения коэффициентов теплопереноса
коэффициентов температуропроводности и удельной теплоемкость для
инфракрасных световодов на основе кристаллов систем AgCl – AgBr, AgBr – TlI.
6. Данные о передаче тепловой энергии по инфракрасным световодам при непрерывном и импульсном режимах передачи, полученные с помощью новой оптико-электронной системы, работающей в среднем инфракрасном диапазоне 7,0 –
9,0 мкм.
7. Предложения по практическому использованию световодов, изготовленных из
кристаллов систем AgCl – AgBr, AgBr – TlI.
Материалы диссертационной работы докладывались на XXII и XXIII
Международных научных конференциях «Лазерно-информационные технологии в

9
медицине, биологии, геоэкологии и транспорте» (Новороссийск, 2014 и 2015 г.), Advanced Photonics Congress, Optical Sensors Conference, Mid- and long-wavelength IR Sensors, (Barcelona, Spain, 2014 г.) на XVII Всероссийской молодежной научной школе-семинаре «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» (Ульяновск, 2014 г.), на ХХ и XXI Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Москва, 2015 г.; Санкт-Петербург, 2017), на ежегодной конференции Нанотехнологического общества России (онлайн, 2014 г.),на Всероссийской конференции по волоконной оптике (Пермь, 2015 г.), на XI Международной научно- технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2016» (Иваново, 2016 г.), на XXIV Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2016 г.).
Научные и практические результаты диссертационной работы были представлены на Международных промышленных выставках ИННОПРОМ (Екатеринбург, 2013, 2014, 2015, 2016 г.), а также отмечены дипломом участника Областного конкурса инновационных идей «Минута технославы» в рамках ИННОПРОМ-2015 (Екатеринбург, 2015), медалью Российского форума «ЭнергоПром ЭКСПО 2015» (Екатеринбург, 2015 г.), дипломом за I место в конкурсе докладов по электроэнергетической и электротехнической тематикам Молодежной секции РНК СИГРЭ (Иваново, 2016 г.) и дипломом за I место в конкурсе докладов по секции «Теоретические основы теплотехники» XI Международной научно- технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2016» (Иваново, 2016 г.).
По материалам диссертации опубликовано 26 работ, в том числе 7 квалификационных статей (из них 4 статьи в журналах из перечня ВАК и 3 в журналах, цитируемых в международной базе Scopus), 16 тезисов докладов, 3 патента РФ.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и обозначений, списка использованной литературы (227 наименований) и приложения (11 страниц). Материал диссертации изложен на 164 страницах, содержит 64 рисунка и 16 таблиц.
Автор выражает благодарность коллективу ИВЦ «Центр инфракрасных волоконных технологий» при ХТИ УрФУ за помощь в подготовке материалов второй главы, в том числе м.н.с. М. С. Корсакову – за помощь при синтезе шихты и выращивании монокристаллов, м.н.с. Д. С. Врублевскому – за помощь в проведении измерении и анализе оптических свойств выращенных кристаллов, зам. директора, к.х.н. А. С. Корсакову – за помощь при

10
экструзии инфракрасных световодов. Особую признательность за консультирование, подготовку материала и общее руководство автор выражает директору ИВЦ «Центр инфракрасных волоконных технологий», профессору, доктору технических наук Л. В. Жуковой. Автор благодарит за помощь в проведении экспериментов и подготовке материалов раздела 3.1 сотрудников лаборатории «Проблемы энергосбережения» Института теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск) д.т.н. М. И. Низовцева и к.т.н. А. Н. Стерлягова. Особую признательность за всесторонню поддержку диссертационной работы автор выражает заведующему отдела «Термогазодинамика» ИТ им. С. С. Кутателадзе СО РАН, д.т.н., профессору Терехову Виктору Ивановичу. Автор выражает благодарность за помощь в проведении экспериментов и подготовке материалов раздела 4.2 сотрудникам лаборатории «Физические основы энергетических процессов» Института теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск) д.ф.-м.н. В. М. Дулину и аспиранту Д. К. Шараборину. Автор благодарит главного врача ООО «Дента ОС», к.м.н. Саркисян Нарине Гришаевну и генерального директора ООО «НОТАМЕД» Жилякова Андрея Викторовича за плодотворное сотрудничество в области разработок оптоволоконных медицинских приборов и их внедрения. Особую благодарность автор выражает научному руководителю, профессору, д.ф.-.м.н. Б. П. Жилкину.