![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/work/work-img.png)
Экспериментальное исследование теплопереноса инфракрасными галогенидсеребряными световодами : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 01.04.14
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………………………….5
ГЛАВА 1 МАТЕРИАЛЫ ИНФРАКРАСНОЙ ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ И ТЕПЛОПЕРЕНОС. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ…………………………….11
1.1 Материалы для среднего и дальнего инфракрасного диапазона ……………………………12
1.1.1 Оксидные стекла ………………………………………………………………………………………………13
1.1.2 Халькогенидные стекла…………………………………………………………………………………….15
1.1.3 Фторидные стекла…………………………………………………………………………………………….18
1.1.4 Галогенидные стекла ………………………………………………………………………………………..21
1.2 Оптические материалы на основе твердых растворов галогенидов металлов ………..24
1.3 Перспективные области применения кристаллов твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия (I) и световодов на их основе…………………………………30
1.3.1 Новый класс кристаллических волоконных неорганических сцинтилляторов…….30 1.3.2 Медицинские скальпели …………………………………………………………………………………..31 1.3.3 Волоконные зонды для ИК-Фурье спектрометрии …………………………………………….33
ГЛАВА 2 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ИНФРАКРАСНЫХ СВЕТОВОДОВ НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ГАЛОГЕНИДОВ СЕРЕБРА И ОДНОВАЛЕНТНОГО ТАЛЛИЯ ………………………………..35
2.1 Получение сырья для выращивания монокристаллов …………………………………………..35 2.2 Выращивание инфракрасных монокристаллов …………………………………………………….40 2.3 Исследование оптических свойств инфракрасных монокристаллов………………………45 2.4 Получение инфракрасных световодов методом экструзии ……………………………………50 2.5 Заключения и выводы по главе 2 …………………………………………………………………………55
ГЛАВА 3 ТЕПЛОПЕРЕНОСНЫЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ИНФРАКРАСНЫХ СВЕТОВОДОВ НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ГАЛОГЕНИДОВ СЕРЕБРА И ОДНОВАЛЕНТНОГО ТАЛЛИЯ ………………………………..56
3.1 Передача тепловой энергии и изображения через оптические световоды на основе твердых растворов галогенидов серебра ……………………………………………………………………56
3.1.1 Передача тепловой энергии инфракрасными световодами…………………………………57
3
3.1.2 Факторы, влияющие на пропускание теплового излучения через световоды на основе твердых растворов галогенидов серебра ………………………………………………………..63
3.1.2.1 Влияние геометрических характеристик световода на пропускание теплового излучения…………………………………………………………………………………………………………………65
3.1.2.2 Влияние наличия изоляции световода на пропускание теплового излучения …..70
3.1.3 Передача теплового изображения через оптическую сборку на основе твердых растворов галогенидов серебра …………………………………………………………………………………72
3.2 Передача теплового излучения в импульсном режиме по кристаллическим инфракрасным световодам ……………………………………………………………………………………….75
3.2.1 Оптико-электронная система для исследования импульсного режима передачи тепловой энергии ……………………………………………………………………………………………………..76
3.2.2 Определение рабочих параметров оптико-электронной системы ……………………….79 3.2.3 Влияние геометрических и временных условий на передачу тепловой энергии….84
3.2.4 Экспериментальное исследование передачи теплового излучения инфракрасными световодами в импульсном режиме…………………………………………………………………………..89
3.3 Основные теплофизические свойства кристаллических инфракрасных световодов 91
3.3.1 Определение плотности инфракрасных световодов на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия ………………………………………………………….91
3.3.2 Коэффициент температуропроводности инфракрасных световодов на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия …………………………….92
3.3.3 Определение коэффициента теплопереноса инфракрасных световодов на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия …………………………….97
3.3.3.1 Экспериментальная установка и методика вычисления коэффициента теплопереноса стержней малого диаметра…………………………………………………………………98
3.3.3.2 Количественные характеристики стационарной теплопроводности кристаллических инфракрасных световодов ……………………………………………………………103
3.3.4 Теплоемкость инфракрасных световодов на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия ………………………………………………………..107
3.4 Заключения и выводы по главе 3 ……………………………………………………………………….109
4
ГЛАВА 4 ПРИКЛАДНЫЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ИНФРАКРАСНЫХ СВЕТОВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ ПРИМЕНЕНИЮ ……………………………..111
4.1 Контроль термического состояния лопаток ГТУ ………………………………………………..111 4.2 Контроль термических характеристик пламени газового факела…………………………113
4.2.1 Контроль термических характеристик пламени газового факела в ультрафиолетовом диапазоне спектра……………………………………………………………………..115
4.2.2 Контроль термических характеристик пламени газового факела в инфракрасном диапазоне спектра…………………………………………………………………………………………………..120
4.3 Лазерный оптоволоконный тиристор …………………………………………………………………122 4.4 Применение инфракрасных световодов в стоматологии……………………………………..126 4.5 Оптоволоконный пирометр для внутриполостного контроля температуры …………128 4.6 Заключения и выводы по главе 4 ……………………………………………………………………….130 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………………………………………132 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ……………………………………………………….134 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………………….136 ПРИЛОЖЕНИЕ А Расчет косвенных погрешностей измерения……………………………….154 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Грамоты и награды …………………………………………………………………….155 ПРИЛОЖЕНИЕ В Патенты Российской Федерации ………………………………………………..158 ПРИЛОЖЕНИЕ Г Акты о внедрении результатов диссертационной работы…………….161
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.
![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/signup-document.png)
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!