Спосіб калориметрування оптичних печей

Винахід відноситься до сфери калориметрування оптичних печей: сонячних концентраторів з параболоїдними дзеркалами і потужних джерел світла з еліпсоїдними відбивачами і може бути використаний при експериментальному визначенні параметрів нормального розподілення опроміненності у фокальній плямі оптичної печі: мір «висоти» і «ширини» функції Гаусса. Відомий спосіб калориметрування оптичних печей, що здійснюється шляхом проведення великої серії вимірювань опроміненності в площині фокальної плями з використанням мікрокалориметра (діаметр його приймача випромінювання, як правило, становить 5-10% від діаметра фокальної плями, тобто 1-2 мм) і передбачає обов'язкову наявність координатного пристрою для сканування області фокальної плями (див. Концентраторы солнечной энергии. Сб. статей под ред. В.А. Грилихеса. - Л., 1972). В результаті обробки експериментальних даних отримують два параметри нормального розподілення опроміненності області фокальної плями: максимальна опромінення в фокусі e o (кВт/см 2) і міру «ширини» функції Гаусса b (см -2), які пов'язані функціональною залежністю: ( e (r ) = e o × exp - bri2 ), .. o a a e(r ) - опроміненність на відстані г(см) від фокуса, кВт/см 2, ri - радіальна координата (радіус) (див. Григорьев В.А. Импульсный нагрев излучениями. - М., Наука, 1974). Однак похибка визначення параметрів розподілення опроміненності в зоні фокальної плями за допомогою мікрокалориметрів «занадто велика» (Захидов Р.А. Те хнология и испытания гелиотехнических концентрирующи х систем. Изд. «ФАН» Узб. ССР, Ташкент, 1978), що і становить основний недолік способу-аналога. Найбільш близьким за технічною суттю і здобуваємим результатам до заявленого є спосіб калориметрування оптичних печей, в якому для вимірювань використовуються не мікрокалориметри, що визначають локальні характеристики, а «великі» калориметри, що визначають середньоінтегральні значення опроміненності в межах кругових вхідних отворів, соосних оптичній вісі дзеркала і що знаходяться в площині фокальної плями (див. Захидов Р.А. Те хнология....). В рамках способу-прототипа проводиться декілька вимірювань інтегральної опроміненності в області фокальної плями калориметрами з різними розмірами кругових вхідних отворів. По результатах проведених вимірювань e i будується ступінчаста фігура в координатах: серед-ньоінтегральна опроміненность - радіус вхідного отвору ( e i - ri ) , аппроксимуючи який отримують приблизні оцінки мір «висоти» і «ширини» функції Гаусса: максимальну опроміненність в фокусі e o і міру "ширини" нормального розподілення b. Незважаючи на те, що точність калориметрів в даному випадку значно вище, ніж у мікрокалориметрів, в способі-прототипі з'являється нове джерело похибки - процедура графічної аппроксімації ступінчастої фігури, побудованої по результатах проведених вимірів. Для зменшення цієї похибки можна збільшити число вимірів (калориметрів), однак при цьому збільшується тривалість серії вимірів, а відповідно коливання щільності прямого сонячного випромінення Eо (кВт/м 2) яке залежить не тільки від висоти сонця над горизонтом, але й від стану атмосфери, що змінюється з часом. А щільність Ео входить у вираження максимальної опроміненності в фокусі і тому повинна бути стабільною в процесі проведення вимірювань. Таким чином, основними недоліками способу-прототипа є наявність процедури графічної аппроксімації ступінчастої фігури, побудованої по результатах калориметрування і велика тривалість серії вимірювань, що призводить до низької точності визначення максимальної опроміненності в фокусі (див. Концентраторы солнечной энергии...). В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу калориметрування оптичних печей, в якому проведенням тільки двох вимірів парою калориметрів з будь-яким співвідношенням радіусів їх вхідних о творів забезпечується визначення параметрів нормального розподілення опроміненності в області фокальної плями аналітичне, тобто по формулах, і за рахунок цього виключається процедура графічної апроксимації ступінчастої фігури, побудованої по результатах калориметрування і гарантується мінімальна тривалість вимірювань. Поставлена задача вирішується тим, що в способі калориметрування, який містить серію вимірів інтегральної опроміненності в області фокальної плями набором калориметрів з різними радіусами вхідних отворів, згідно з винаходом проводять тільки два виміри парою калориметрів з будь-яким співвідношенням радіусів їх вхідних отворів, а максимальна опроміненність в фокусі e o і міра «ширини» b нормального розподілення опроміненності у фокальній плямі визначаються по формулах: 1 e b= ln(1- Z )-1 e o = 1 - ln(1 - Z )-1; 2 r1 Z , де Z - безрозмірний комплекс, функція двох змінних: відношення квадратів радіусів вхідних отворів та відношення середньоінтегральних опроміненностей, яка має наступний вигляд: é æ e öNù 6 - ê1 - ç 2 ÷ ú, 5 -n . 5 - n ê ç e1 ÷ ú N = ë è ø û 3(n - 1) Такий спосіб калориметрування забезпечує мінімальну тривалість процесу вимірювань і стабільність прямого сонячного випромінення в цей період, а головне - визначення шукомих параметрів нормального розподілення опроміненності в області фокальної плями - по точних формулах, що виключає процедуру графічної аппроксимації і гарантує високу точність результатів калориметрування . Пропозиція пояснюється наступним. Апарісі P.P. (СССР) у 1955 р. встановив, що залежність щільності світлового потоку в фокальній плямі оптичних печей підпорядковується закону нормального розподілення: Z= ( e i = e o × exp - bri2 ) (див. Григорьев В.А. ...), а e o - локальна опроміненність на відстані r від фокуса, b - міра i «ширини» розподілення. Пізніше, інтегруючи формулу Апарісі в межах кругового вхідного отвору «великого» калориметра, отримали вираження для середньоінтегральної опроміненності: e e i = o 1 - exp - bri2 bri2 [ ( )] Отримане рівняння містить дві невідомі величини: e o і b. Для визначення двох невідомих, пов'язаних одним рівнянням, необхідно і достатньо сформувати систему двох таких рівнянь з різними коефіцієнтами, в даному випадку -різними радіусами вхідних отворів. Таким чином, для визначення двох невідомих необхідно і достатньо провести два виміри середньоінтегральної опроміненності парою калориметрів з різними радіусами вхідних отворів. При цьому отримують систему дво х рівнянь з двома невідомими: e 2 e 1 = o 1 - exp - br1 2 br1 [ e2 = eo 2 br2 )] ( [1 - exp(- br )] 2 2 де e 1 і e 2 - середньоінтегральні опроміненності (кВт/см 2), виміряні калориметрами з різними значеннями радіусів їх вхідних отворів. Рішення цієї системи рівнянь в загальному вигляді, тобто при будь-якому доцільному співвідношенні радіусів вхідних отворів, має бути таким: 1 e b= (1 - Z )-1 e o = 1 × ln(1 - Z )-1 2 r1 ln Z ; де Z - безрозмірний комплекс, який є функцією двох змінних: відношення квадратів радіусів вхідних отворів 2 2 r2 / r1 = n(n > 1) та відношення середньоінтегральних опроміненностей, і розраховується за формулою: é æ e öN ù 6 ê ç 2÷ ú Z= 15 -n 5 - n ê ç e1 ÷ ú N = ø û ë è 3(n - 1) , Таким чином, в заявленому способі посереднього визначення двох шукомих величин e o і b необхідно і достатньо провести два виміри середньоінтегрально] опроміненності парою калориметрів з різними радіусами їх вхідних отворів. Можливість аналітичного рішення системи двох рівнянь в загальному випадку (при будь-якому співвідношенні радіусів вхідних отворів) дозволяє знайти для шукомих величин e o і b аналітичні вираження (формули), які є основою нового способу калориметрування оптичних печей, тому що дозволяють вирішити задачу даного винаходу. Заявлений спосіб калориметрування оптичних печей забезпечує спільне визначення параметрів нормального розподілення в області фокальної плями: максимальну опроміненність в фокусі e o і міру «ширини» функції Гаусса b -при мінімальному числі вимірів середньоінтегральної опроміненності і при будь-якому співвідношенні радіусів вхідних отворів калориметрів, і таким чином гарантує незначну тривалість процесу калориметрування і високу точність отриманих результатів за рахунок виключення процедури графічної апроксимації ступінчастої фігури, яку будують по результатах вимірювань.