В. И. БАРАНОВ, Ю. А. ПОЛЯКОВ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ СВЕТОПРОВОДА МЕТОДОМ НЕСТАЦИОНАРНОГО РЕЖИМА
За последнее время возрос интерес к передаче лучистой энергии по специальным прозрачным каналам-световодам с использованием для этого полного отражения света от стенок монокристаллов сапфира, кварца, флюорита и других веществ.
При решении проблем передачи энергии по сложным каналам: сварки с помощью гибких светопроводов; передачи тепловой энергии к приемникам различных преобразователей через сапфировые окна (играющие роль защиты от космической средь: внутреннего объема летательного аппарата); обеспечения солнечной энергией различных устройств через светопровод; радиационной пирометрии возникает необходимость в широком экспериментальном исследовании высокотемпературных светопроводов с тепловой точки зрения.
Одним из основных требований, предъявляемых к светопроводу, является высокий коэффициент полезного действия передачи лучистой энергии; следовательно, транспортировка энергии по световому каналу должна осуществляться с возможно малыми потерями тепла для конкретной конструкции светопроводящего устройства.
Простейшая модель светопровода представляет собой прозрачное тело, как правило монокристалл, выполненное в виде цилиндра с обработанной соответствующим образом боковой поверхностью для обеспечения отражения светового потока внутри кристалла от стенок. Коэффициент полезного действия светопровода для задач переноса тепловой энергии в виде излучения выражается отношением удельных тепловых потоков на выходе н входе светопровода.
Величина к.п.д. светопровода зависит от материала кристалла, геометрии канала (в частности, длины и коэффициента поглощения материала, который в свою очередь зависит от температуры, технологии изготовления и др.), спектральной характеристики падающего излучения и условий охлаждения.
Большим шагом в деле практического использования светопроводов является создание надежной методики измерения тепловых потоков. В настоящей работе предлагается метод нестационарного процесса для определения к.п.д. светопровода.
Рис. 1. Схема к теории нестационарного измерения тепловых потоков
Теоретическая основа метода заключается в анализе одномерной задачи нестационарной теплопроводности, где неограниченная пластина находится в момент времени τ ≥0 в состоянии теплообмена с окружающей средой под действием светового потока, падающего на свободную поверхность. Так как в центре пластины =0 (задача симметричная), то рассматривается половина пластины толщиной R, одна сторона которой имеет адиабатическую изоляцию (рис. 1). Будем считать, что зависимость температуры поверхности t(R) от времени нам известна, т. е. при τ≥0, t(R)=f(τ). Анализ задачи чрезвычайно облегчается, если i(R) представить в виде ступенчатой функции. Разбиваем временной интервал, в течение которого происходит тепловой процесс, на т одинаковых (пока произвольных) участков. Задача теплопроводности решается последовательно
