ZRAK SUNCA

7/30/2019 ZRAK SUNCA

http://slidepdf.com/reader/full/zrak-sunca 1/9

OBRADA MATERIJALA ZRAKOM SUNCASolar beam machinig (SBM)

1.UVOD

Sunčane ćelije postavljene na krovu automobila ili posebnoj ploči, pretvaraju sunčevu energijudirektno u električnu. Električna struja onda obrće specijalni elektromotor ili puni akumulatore, tzv.heliomobila – automobila gonjenih sunčevom energijom.

Sunčeva peć – uređaj, koji omogućuje koncentraciju sunčeve energije pomoću paraboličnihogledala ili sočiva u gorionik u kome temperatura dostiže i nekoliko hiljade stepeni. Pošto suogledala tehnički manje složena i jeftinija, koriste se u svim uređajima ovog tipa. Sunčeve peći sekoriste za topljenje teško topljivih materija i za hemijske reakcije, koje traže visoketemperature.Jedna od najpoznatijih peći se nalazi u pirinejima. Skupljanje energije se vrši pomoćuogledala, koja se sastoje od više hiljada automatski upravljanih malih ogledala. Dobar položajsvakog ogledala kontroliše računar prema informaciji fotoćelija. Radna površina je približno ¼ m².Dnevno se ovde prerađuje nekoliko tona teško topljivih materija (korund, cirkon, kristalni silicijumi sl.), za nuklearne reaktore, predajnike itd. Snaga sunčane peći je oko 1000 kw. Govori se oizgradnji sunčevih peći na mesecu, npr.za zagrevanje ruda i dobijanje kristalne vode. Ovo su samoneki od mnogih značajnih projekata korišćenja sunčeve energije.

1.1 Sunce, značajan izvor energije

Sunce – centralno telo našeg sunčevog sistema – predstavlja neograničen rezervoar energetskihzraka i na sadašnjem nivou nauke i tehnike dostupan na zemlji ili u kosmičkom prostoru.

Jedan od glavnih doprinosa ovog izvora je, da nezagađuje životnu okolinu, “nedostatak” je ipak granična frekvencija energije. Energija zračenja sunca je 4· 1026 J s-1 resp. 4 · 1023 kW [1]. Gustinasunčeve energije iznad zemljine atmosfere pretstavlja oko 1,4 kw m-2, iznad nivoa mora uoptimalnim uslovima opada na oko 1kW·m2 [2]. Pod optimalnim uslovima se smatra normalni padsunčevih zraka na površinu, u vreme bez oblaka, kada je sunce u zenitu [3]. Ove razlike nastajuzbog opsorpcije u zemljinoj atmosferi. Apsorbovani su visokoenergetski fotoni iz sadržaja spektrasunčevog zračenja [4].

Količina energije sunčevog zračenja zavisi od sastava njegovog spektra [5,6]. Više od 99%ukupne energije zračenja sunca pripada spektru talasne dužine λ=0,1÷4µm. Utvrđeno je, da sunčevozračenje, koje pada na površinu zemlje se naglo prekida kad talasne dužine oko 0,3 µm, što je uzrok apsorbovanje sunčevog spektra pomoću ozona. Osnovne oblasti koje apsorbuje kiseonik, pripadajuoblasti udalojenijoj od ultraljubičastog dela spektra (λ=0,13÷0,24µm).

Kada je sunce u zenitu, ultraljubičasti deo spektra (λ=0,01÷0,38µm) čini 4% ukupnog zračenjaa vidljivo zračenje (λ=0,38÷0,78µm) čini 46% a infracrveno (λ>0,7µm) 50%. Pri visini sunca 30ºiznad horizontale respektivno 3%, 44% i 53%. Ako je sunce iznad samog horizonta ukupnozračenje se sastoji samo iz vidljivog zračenja (28%) i infracrvenog zračenja (72%).

S obzirom, da sunčevo zračenje može da se uhvati i promeni u pogodan oblik energije, uinteresu je korišćenje sunčeve energije ne samo zbog njenog cikličnog pojavljivanja već i zbogspecifičnih osobinama grejne sposobnosti kao, što je nepostojanje elektromagnetizma, mogućnost bezkontaktnog dovođenja do predmeta i elastičnost regulacije, nikakva emisija. nema pokretnihdelova ni buke. Zahvaljujući onim osobinama razvijene su mnoge industrijske primene kao npr.:zavarivanje, zagrevanje meterijala, lemljenje, mestimična termička obrada i uglavnom rezanjerazličitih tehničkih materijala.

1



2. Uređaji za obradu materijala sunčevim zrakom

Za ovu prilično specifičnu oblast obrade materijala koriste se specijalno konstruisani tzv. helio – uređaji, koji pomoću odgovarajućih koncetratora zračenja [7] menjaju sunčevu energiju u toplotnu.

Na gustinu toplotnih zraka i toplotu u ognjištu helio uređaja bitno utiče naročito :- tačnost praćenja putanje kretanja sunca (fokusiranje tačke ognjišta),- činilac odbijanja Rz površina ogledala koncetratora (za nova ogledala Rz = 0,8 a za stara Rz

= 0,5)- ugaoni raspon ogledala α- mera optičke tačnosti ogledala h- intenzitet direktnog zračenjaVeliki uspeh u konstruisanju helio uređaja je postignut u Rusiji, gde je Akademija nauka

izradila seriju mašina alatki za obradu različitih grupa materijala sunčanim zrakom. Među prvim jenapravljen uređaj tipa SGU – 5 (sl.2.1).

Ovaj uređaj je napravljen za uslove rada na Zemlji i određen je za zavarivanje, letovanje,lokalnu termičku obradu i rezanje materijala. Uređaj je istovremeno služio i za eksperimentalnusimulaciju i rešavanje različitih tehnoloških operacije, koje mogu da se jave u kosmosu.

Kao koncetrator energije zračenja u uređaju tipa SGU – 5 (kao i u tipu SGU – 4) korišćen jestakleni parabolid vojnog reflektora sa unutašnim refleksnim slojem sa sledećim parametrima

- prečnik kondenzatora D = 2000 mm- udaljenost gorionika (ognjišta) f = 850 mm- ugao paraboloida (ugao apertue, tj. ugao koji zaklapa sa glavnom osom krajnji zrak koji

izlazeći iz posmatrane tačke na osi, koji pada na ogledalo) α = 120°- teoretski prečnik tačke ognjišta d = 8,4 mm (praktaično 10 mm)- količnik odbijanja ogledala Rz = 0,8- optička tačnost ogledala h = 4

2



Slika 1 Šematska skica uređaja za obradu sunčanim zrakom tipa SGU – 5 (5)

Prosečna vrednost kolorimetrijskog inteziteta zračenja u ognjištu ogledala na površini fleke prečnika 8 mm, kod normalnog sunčevog zračenja oko 0,7 kw m² iznosi 14000 kWm². Kod ovakvoginteziteta zračenja je toplota apsolutno crnog tela identična intezitetu zračenja, dobijenog u tačkiognjišta i višlja je nego 3500°K.

Vakumski sistem uređaja sa vakumom 10ˉ4 Tr, se sastoji od vakumske komore i vakumskog

agregata. Vakumska komora je učvršćena u optičkoj osi paraboloida u omotaču ognjišta pomoćuzračnih traka ima pokrivač od silicijumskog stakla debljine 5 mm. Njen unutrašnji oblik odgovaraobliku koncetratora, da bi smanjili gubitke odbijanja. U vakumskoj komori se nalazi još i izmenljiva

blenda, koja je hlađena vodom, mehanizam za stezanje i obrtanje eventualno za premeštanje, kojiobezbeđuje kretanje predmeta i snimanje pritiska (vakuma) i temperature. Hlađenje blende dele oblast poprečnog preseka zraka energije i time odvajaju njegov centralni deo. Ovim se smanjuje njegovorasipanje na obradak i obezbeđenje njegovo vođenje na npr. zavarivane delove.

Vakumski agregat se sastoji iz uljne pumpe i vrelovodne pumpe. U vakumskoj komori,zahvaljujući zatvorenom sistemu operacije se mogu vršiti u kontrolisanoj atmosferi (kod pasivnih iaktivnih gasova ili njihovim smešama, koje su dovođene u komoru pod određenim pritiskom). Uovom slučaju naravno ostaje vakumski agragat isključen. Sunčani uređaj SGU – 5 je imao mogućnost

3

1 – paraboličnim koncentrator 2 – regulator proizvedene

ergije3 – hladnjak

4 – držač kvarcnog stakla5 – radna komora6 – obrađivani materijal7 – pogonski elektromotor 8 – sisaljka9 – sistem za punjenje10 – elementi za upravljanje



merenja inteziteta sunčevog zračenja, temperature predmeta, vrednosti vakuma a takođe sistema za praćenje azimuta i zenita sunca sa tačnošću ±10 ugaonih minuta.

Sunčevi uređaji SGU – 4, SGU – 6, pa i SGU – 9 (pogledaj tab.1) se koriste za obradu metalnihi nemetalnih materijala i nemaju vakumsku komoru (8,9). Sa ciljem vršenja različitih operacija se nanjih priključuju različiti uređaji i sistemi za praćenje sunca [10] (sl.2), takođe razni dodatni uređaji

(npr. blende za zatamnjenje inteziteta zračenja) za regulaciju količine dovodene energije kaobrađivanom komadu (sl.2.).

Slika.2 Šematski prikaz uređaja SGU – 4 (9)

4

1. parabolični koncetrator 2. ravno ogledalo3. ravno ogledalo4. rotacioni uređaj5. elektromotor 6. obrađivani predmet

7. luminiscektni davač(fotoelektrični pirometar)8. luminiscentni davač

(fotoelektrični pirometar)9. žaluzina: α – ugao otvaranja

koncentratoraφ – ugao otvaranja žaluzina



Tab.2.1 Specifikaciaj helio uređaja za obradu

Tip.uređaja Prečnik koncetratorad [cm]

Ugaorasponaα [o]

Udaljenostognjišta

f [m]

Prečnik ognjišta

d*[m]

Gustina energijegasaGmax[kWm-2]

MaximalnatemperaturaTmax [ºK]

SGU-4SGU-5

2.0 120 0.85 8.4** 15000 3800

SGU-6 2.8 150 0.998 40.0*** 1000 1800SGU-9 1.0 120 0.36 4.0 -

*-teoretska vrednost**-praktična vrednost oko 10 mm

***-praktična vrednost oko 50 mm,uzimajući u obzir greške geometrijskog oblika

3. Rezanje materijala koncetrisanim sunčevim zrakom

Obrada uz korišćenje koncetrisanog zraka sunčevog zračenja je praktično ograničena konkretnona operaciju rezanja a u manjem obimu na perforiranje materijala. Obradjen materijal, npr. pločastog oblika sa definisanom debljinom, se steže na radnom stolu helio uređaja tako da senjegova prednja ivica poklapa sa ravni ognjišta koncetratora, a tačka zračenja ognjišta treba da senalazi na mestu reza. Uređaj za obradu se usmeri prema suncu i odgovarajućim nagibom žaluzina sedobija zrak zračenja sa takvom energijom, koja je dovoljna za intezivno topljenje materijalaobratka. Posle odsecanja stegnutog obratka poprečno se spusti mehanizam pomaka i vrši se sam prces rezanja.

Brzina rezanja RV može da se izračuna prema matematičkom izrazu:

0

3.6 R

R t

L

V t

⋅

=

− [m sat

-1

] (1)

gde je: R L -dužina rezanja [mm] t - vreme rezanja [s]

0t - vreme zagrevanja sa ciljem poprečnog pregrevaanja materijala (vreme postizanja

potrebnih reznih uslova)

Na slici 2.4 je prikazana zavisnost brzine rezanja RV od količine dovedene energije zračenja Eza vreme rezanja nerđajućeg hrom-nikl čelika debljine h = 0.5 mm i 2.0 mm. U prvom slučaju kodrezanja lima debljine h=0.5 mm kod E=0.25 KW, a u drugom slučaju pri rezanju lima debljineh=2.0 mm pri E>0.6 KW brzina rezanja RV direktno linearno zavisi od dovedene energije E[11,12].

Rastopljeni metal na mestu reza prelazi delovanjem površinskog napona i sile privlačenja nadonju reznu ivicu, gde nastaju sitne kapljice očvrsnutog metala, koje pogoršavaju kvalitet obrađene površine.

Zavisnost širine reaza b od dovedene energije E je na slici 2.5. Maksimalna širina reza prioptimalnim uslovima odvijanja procesa rezanja se približava kritičnoj razmeri tačke ognjišta. Primalim vrednostima brzine rezanja RV ili pri E = 1.1 KW, kad nastaje veliki obim rastopljenogmetala, pokazuje širina reza rasipanje i 20 %.

5



Veliki doprinos je određivanje efektivne entalpije efek H procesa rezanja u zavisnosti od intenziteta

dovedene energije zračenja:

1

efek

R

E

b hKJ kg H

V γ

− = ⋅ ⋅ ⋅⋅ (2)

Gde je: E - je intenzitet dodate energije [kJ·s -1] RV - brzina rezanja [ m·s-1]

B - širina reza [m]H - debljina materijala [m]Γ - gustina materijala [kg·m-3 ]

Na osnovu zavisnosti (2) možemo odrediti optimalni tok procesa rezanja. Ako u zavisnostzadamo energiju zračenja zraka E, možemo prognozirati brzinu rezanja RV ili debljinu reza (tj.

debljinu materijala) h.Takođe je onda moguće upoređivati međusobom i druge tehnologije rezanjamaterijala.

Ako upoređujemo proces rezanja metalnih materijala u vazduhu i vakumu, potrebno je shvatiti dau prvom slučaju reakcije oksidacije komponenti rezanog materijala imaju exotermičan karakter i pomažu opštem energetskom bilansu procesa [12], a suprotno u drugom slučaju u vakumuoksidacionih procesa nema, kao i gubitaka toplote konvekcijom. Može se reći da uslovi realizacije procesa rezanja u vakumu i u vazduhu se mogu uporediti.

6

sl. 2.4 Zavisnost brzine rezanja RV oddovedene energije zraka E za vremerezaja nerđajućeg hrom-nikl čelikadebljine:

1. h=0.5 mm2. h=2.0 mm

Sl. 2.5 Zavisnost širine reza b oddovedene energije:

1. debljina obratkah=0.5 mm2. debljina obratka

h=2.0 mm



Rezanje mlazom koncetrisanim zrakom sunčeve energije je vrlo efektivno u slučaju raznihtehničkih tkanina (silicijumskih, staklenih, azbestnih itd.), a to i u slučaju upoređenja samehaničkim načinom rezanja. U odnosu na mehanički način rezanja postoje sledeće pogodnosti:

• manji gubitak materijala (ne javlja se oštećenje strukture materijala tkanine fronclanjem)• ne lome se krajevi reza materijala• nije potrebno koristiti skupe alate (alatnica nije potrebna)

• poboljšavaju se uslovi rada (nema buke)• u vazduhu se ne nalaze tvrdi delići (već su to gasovi, što je lošije nego pri rezanju vodenim

mlazom)• velika efektivnost energije

Rezultati eksperimenta pokazuju [9,13], da brzina rezanja, koja počinje od određenih minimalnihvrednosti proporcionalna je dodatoj energiji (sl.2.6). Pri tome se ugao nagiba pravih (1 i 2) premaosnovnoj osi povećava sa povećanjem temperature topljenja tkanine.

Važnom osobinom procesa rezanja tehničkih materijala (tkanina) je zavisnost sfere delovanjatoplotnog mlaza od brzine rezanja RV (sl.2.7), omogućuje takođe određivanje minimalne količineotpada rezanih tkanina. Količina otpada, uzimajući u obzir i širinu reza, sa povećanjem brzine

rezaja, se smanjuje u odnosu na konstantnu karakteističnu vrednost za svaku vrstu tkanine.

Sa koncetrisanim zrakom sunčevog zračenja realizovani su takođe različiti eksperimenti pri površinskoj obradi i rezanju kamena ili minerala. Za rezanje peščanika i gvozdnog kremenadovoljna je relativno mala vrednost gustine toplotnih zraka u dijapazonu 5000-9000 kW·m -2. Za

7

Slika 6 Zavisnost brzine rezanja RV

od dovedene energije E za vremerezanja tehničkih tkanina [9]:

1. silicijumska tkanina2. staklena tkanina3. azbestna tkanina

Slika7 Zavisnost širine zonetoplotnog uticaja od brzine rezanjakod rezanja tehničkih tkanina [9]:

4. silicijumska tkanina5. staklena tkanina6. azbestna tkanina





OBRADA NANOMATERIJALA POMOĆU ZRAKA SUNCA

Pomoću solarnih zraka mogu da se dobijaju i nanomaterijali. Nanomaterijali mogu da se proizvode u solarnim pećima [ ] pomoću dve metode:

• Isparavanjem i kondenzacijom, kada se solarna peć koristi za grejanje i isparavanjekompaktnog ili presovanog praha

•

Ultra visokim topljenjem i hlađenjem, koje se koristi samo za presovani prah.

Dobijanje oksida TiOx i MgOy. Ovi oksidi imaju tri alotropska stanja i koriste se u štamparskojindustriji i bojenju. Ovaj nanomaterijal se proizvodi pomoću metode isparavanje-kondenzacija usolarnoj peći od 2 Kw. Prah se presuje u obliku dugmeta postavi se na suport koji se hladi vodom asolarni zrak se fokusira na oaj obradak. Kondenzacija se vrši na posebno podlozi od aluminijumskelegure. Kondenzovani prah se onda uzima sa ove podloge.Karakteristike procesa su:

• Snaga solarnog zraka 960 kW/ m2 • Vreme obrade 20 min• Radna atmosfera 20 min

• Inicijalni pritisak 690 torr • Završni pritisak 700 torr.

Slika 8 Solarna peć

LiteraturaM Pascu, M Trulescu: Materijal procesing by electron beam welding and splar ray beam, S H R Interdisciplinary Conference, segedin, 2005.

9

Documents

ZRAK SUNCA