Шавкат расулматович разработка однозеркальных солнечных высокотемпературных технологических установок и технологии синтеза карбидов

На правах рукописи

УДК 662.997:537.22.

НУРМАТОВ ШАВКАТ РАСУЛМАТОВИЧ РАЗРАБОТКА ОДНОЗЕРКАЛЬНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕЗА КАРБИДОВ 05.14.08 - Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТАШКЕНТ – 2011

Работа выполнена в институте Материаловедения НПО “Физика-Солнце” им. С.А.Азимова АН Республики Узбекистан кандидат физико-математических наук

Научный консультант:

Пайзуллаханов Мухаммаде-Султанхан Саидвалиханович доктор технических наук, академик

Официальные оппоненты:

Захидов Ромен Абдуллаевич доктор технических наук, доцент Эргашев Сирожиддин Фаёзович НПО Академприбор АН РУз

Ведущая организация:

Защита состоится “”2011г. в часов на заседании Спе циализированного совета Д.015.08.01. при Физико-техническом институте НПО «Фи зика-Солнце» АН РУз по адресу: 100084, г.Ташкент, ул. Бодомзор йули, 2Б.

Тел: (8-10-9871)-233-12-71. Факс: (8-10-99871)-235-42-91. Е-mail:[email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз.

Автореферат разослан “_”_2011 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: г. Ташкент, ул. Бодомзор йули, 2Б, ученому секретарю Специа лизированного совета Д.015.08.01.

Ученый секретарь Специализированного совета д.ф.-м.н. профессор А.В. Каримов 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ Актуальность работы. В настоящее время в гелиотехнике ведутся большие работы по созданию коммерческих солнечных тепловых и энергетических установок.

В последние годы ставится вопрос и о создании солнечных высокотемпературных технологических установок для производства карбидов. Перспективность этого на правления обусловлена тем, что в современной технике все больше применение нахо дят композиционные материалы. Основа таких материалов керамика, в состав кото рых входят карбиды. Известно, что карбиды могут применяться и как самостоятель ная продукция - полупроводники, нагревательные элементы, абразивные материалы.

В ряде стран освоено промышленное производство карбидов, однако имеются задачи создания экономически рентабельных установок относительно небольшой мощности до десятков кВт. Это связано с тем, что производство карбидов рентабель но только, при больших масштабах производства и требует значительных капиталь ных затрат. Один из путей решения проблемы это создание солнечных технологиче ских установок.

Принципиальные возможности получения карбидов на солнечных установках были показаны на ряде солнечных печей малой мощности (до 2кВт), а также на двух уникальных мегаваттных солнечных печах во Франции и Узбекистане [1,2]. В тоже время для производства карбидов на солнечных печах необходимо решение ряда тех нических и технологических вопросов. Это определение возможности создания одно зеркальных солнечных печей на мощности до 10 кВт, определение возможности обес печения высокой эффективности проведения высокотемпературных процессов полу чения карбидов в приемниках - реакторах при лучистом нагреве.

Указанное определяет актуальность работ по созданию однозеркальных сол нечных установок для реализации высокотемпературных технологических процессов синтеза карбидов.

Степень изученности проблемы. Основными составными частями высоко температурных солнечных установок являются следящие гелиостаты, концентраторы и приемники лучистого потока в фокальной плоскости.

Анализ систем приведенных в работе [3-6] показывает, что в области синтеза материалов концентрированным солнечным излучением недостаточно изучены во просы практического применения и сопоставления их с теоретическими результатами.

А созданные, для высокотемпературных исследований и технологических разработок солнечные установки предназначены для целей научно-технических исследований и проведения специальных работ, которые пока не нашли практического применения.

Известные промышленные технологии получения карбидов [7-9] рентабельны только при больших мощностях, достаточно энергоёмки, а цикл процесса синтеза за нимает несколько суток. Кроме того, после синтеза некоторых карбидов по традици онной технологии, как правило, требуется их помол. В этом смысле перспективы имеют солнечные высокотемпературные установки. Их преимущества, возможность получения требуемых технологических режимов синтеза уже на установках относи тельно небольшой мощности, быстрый, практически мгновенный разогрев до высоких температур.

Фазовые превращения в твердом теле, инициированные воздействием темпера туры, высокого давления, химических сред ранее широко исследовались [10], однако, исследования фазовых превращений в материалах, происходящих под воздействием концентрированного солнечного излучения в теоретическом и экспериментальном плане находятся ещё на начальной стадии. Это связано с малым количеством и доро говизной источников концентрированного солнечного излучения и отсутствием дос таточных экспериментальных данных в этом направлении.

В связи с этим высокотемпературные технологии на солнечных установках имеют свои особенности, а возможности получения на них карбидов практически не исследованы. Одной из основных задач в солнечных высокотемпературных установ ках является создание эффективного концентратора. Имеющиеся научно исследовательские солнечные печи выполнены по двухзеркальной схеме. Для целей практического применения более целесообразны однозеркальные схемы. В настоящее время однозеркальные схемы в основном разработаны для энергетических солнечных установок. Создание однозеркальных концентраторов для высокотемпературных тех нологий практически не рассматривалось. Для создания таких концентраторов необ ходимо в первую очередь определить требования к их геометрической точности, ко торые уже, во многом, решают задачу их практической реализации.

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР. Тема дис сертации связана с приоритетными государственными программами выполняемыми в Институте Материаловедения НПО «Физика-Солнце» АН РУз.

А-6-052 ГНТП АН РУз “Разработка экологически безопасной технологии син теза карбида кальция из местного сырья на Большой Солнечной Печи” (2006 2008гг.) ФА-Ф2-039. ФИ АН РУз «Исследование механизма фазообразования, дефект ной структуры и физико-механических свойств в сложных оксидных системах под воздействием концентрированного солнечного излучения» (2007-2011гг.) Целью работы является разработка концентратора однозеркальных солнеч ных высокотемпературных установок, а также разработка технологии синтеза кар бидов на таких установках.

Для достижения поставленной цели в работе рассмотрены следующие основные задачи:

1. Разработка концентратора для солнечных высокотемпературных установок.

2. Разработка технологии получения карбидов на солнечных установках.

3. Разработка рекомендаций по созданию солнечных высокотемпературных устано вок для синтеза карбидов.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является однозер кальная солнечная высокотемпературная установка мощностью до 10кВт. Предметом исследования является определение точностных требований концентраторам одно зеркальных солнечных высокотемпературных установок и технология синтеза карби дов на таких установках.

Методы исследования: моделирование, численные и натурные эксперименты.

Гипотеза исследования базируется на возможности получения в фокусе сол нечных концентраторов высоких плотностей излучения и температур, а также воз можности изменения фазово-структурного состояния материалов при лучистом нагре ве.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные точностные требования к концентратору однозеркальных солнеч ных высокотемпературных установок, а также разработанная новая схемы ук ладки фацет.

2. Разработка модельных высокотемпературных установок для экспериментального исследования процессов лучистого нагрева на БСП и на оптических печах, в ча стности модернизация установки Уран, позволившая повысить плотности излу чения в 1.5 раза.

3. Расчетно-экспериментальные исследования по синтезу карбидов на солнечных установках и разработанный технологический режим синтеза карбидов при лу чистом нагреве в зависимости от плотности концентрированного солнечного из лучения.

Научная новизна:

1. Впервые определены требования к точностным характеристикам однозеркаль ных фацетных концентраторов солнечных высокотемпературных установок, по казывающие возможность их практического создания.

2. Предложена новая схема укладки фацет параболоидного концентратора, позво ляющая повысить плотность укладки и одновременно позволяющая применять прямоугольные фацеты одного типоразмера 3. Разработана и программно реализована тепловая модель процесса лучистого на грева материалов, позволяющая определять толщину слоя, в которой происходит синтез карбидов и время выхода материалов на требуемые температуры синтеза.

4. Впервые определены технологические режимы процесса синтеза карбидов при лучистом нагреве и определена производительность таких процессов, показана возможность получения мелкодисперсного порошка карбида кремния.

Научная и практическая значимость результатов исследования:

1. Разработанная методика определения допусков на неточности фацет, их юсти ровки, неточностей радиуса кривизны может быть использована при проектиро вании концентраторов солнечных высокотемпературных и энергетических уста новок.

2. Разработанная новая схема укладки фацет одного типоразмера может быть ис пользована при изготовлении фацетных концентраторов различного назначения.

3. Выявленные особенности лучистого нагрева и плавления различных материалов в фокальном пятне концентраторов, могут быть использованы при создании при емников – реакторов (ковшовый, тигельный, плоский) солнечных высокотемпе ратурных установок, а разработанная технология синтеза карбидов может быть использована для создания промышленных однозеркальных солнечных высоко температурных установок.

4. Модернизация установки Уран, позволившая повысить плотности потоков излу чения в фокусе в 1.5 раза, расширяет возможности проведения высокотемпера турных материаловедческих исследований.

Реализация результатов. Результаты работы реализованы в НПО «Физика Солнце» АН РУз, в частности, в Институте Материаловедения на БСП в рамках ГНТП А-6-052 «Разработка экологически безопасной технологии синтеза карбида кальция из местного сырья на Большой Солнечной Печи», а также использованы при выполнении темы К-29-02. ФПФИ АН РУз « Рентгено и нейтронографическое иссле дование карбонитрида циркония ZrСxNy полученного в условиях концентрированно го солнечного излучения».

Внедрение результатов работы подтверждены соответствующими актами.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и об суждались на объединенном семинаре при Специализированном совете Физико технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз, а также на республиканских и международных научных конференциях «Фундаментальные и прикладные вопросы физики» (Ташкент_2003);

«Конструкции и технологии получения изделий из неме таллических материалов» (Обнинск_2004);

«Махаллий хом ашёлар ва ишлаб чиариш чииндилари асосида материаллар олиш муаммолари» (Ташкент_2004);

Региональная центрально-азиатская международная конференция по химической технологии (Таш кент_2007);

«Актуальные проблемы создания и использования высоких технологий переработки минерально-сырьевых ресурсов Узбекистана» (Ташкент_2007);

«Полу чение нанокомпозитов, их структура и свойства» (Ташкент_2007);

«Пленки и покры тия – 2009» (Санкт-Петербург_2009).

Опубликованность результатов. Основные положения диссертации отражены в 17 научных работ, из них 10 статей и 7 докладов в трудах конференций. По резуль татам работы поданы 2 заявки на патент РУз.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, за ключения, списка использованной литературы из 128 наименований и 2 приложений.

Она изложена на 129 страницах, содержит 16 таблиц и 48 рисунков.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложе ны цели и задачи работы, а также научная и практическая значимость, полученных ре зультатов, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния работ по разработке систем концен тратор – приемник (К-П) однозеркальных солнечных высокотемпературных устано вок (СВУ) и вопросов производства карбидов на этих установках. В настоящее время для высокотемпературных исследований в основном применяются двухзеркальные СВУ. Для коммерческих СВУ на мощности до десятков кВт более предпочтительны однозеркальные схемы (меньшие, практически в два раза габариты). Имеется большой опыт создания концентраторов для однозеркальных солнечных теплоэнергетических установок. Практически не имеется работ по разработке концентраторов для однозер кальных СВУ мощностью до десятков кВт. В настоящее время показана возможность получения карбидов на солнечных печах, однако работы по разработке технологии производства карбидов на СВУ не проводилась.

На основе проведенного обзора сформулированы цели и задачи работы.

Во второй главе рассматривается задача разработки концентраторов для одно зеркальных СВУ. Концентрирующие характеристики концентратора (для высокотем пературных целей, обычно применяется фацетный параболоидный концентратор) в первую очередь зависят от точности геометрии концентрирующей поверхности - точ ности фацет и точности их юстировки. Методы расчета концентраторов в настоящее время в основном разработаны [11,12] и задача заключается в разработке их числен ных моделей для конкретной цели исследования, учитывающей основные параметры задачи. В связи с этим был разработан алгоритм и программа расчета концентратора СВУ раздельно учитывающая фацетность (габариты и радиус кривизны) неточности фацет и радиуса кривизны и неточности юстировки фацет.

Основными параметрами параболоидного концентратора, как цельного, так и фацетного являются фокусное расстояние f, диаметр D (или радиус R) и угол раскры тия U0. Связь между этими параметрами имеет вид: R = 2ftan(U0/2). Ранее при опти мизации этих параметров принималось, что f = const, а критерием оптимизации явля лось условие получения максимальной средней концентрации по пятну изображения Солнца в фокальной плоскости.

В практических задачах имеем D = const, а критерий оптимизации формулиру ется в виде - обеспечение на некоторой площадке в фокальной плоскости максималь ной средней концентрации (или, что тоже - обеспечение максимального потока). При решении задачи учитывались следующие точностные параметры концентратора пространственные неточности поверхности фацеты Ф, неточности её радиуса кри визны R, пространственная неточность юстировки фацет Ю, количество (размеры) фацет n, схема их укладки на каркасе, угол раскрытия концентратора U0. На рис. приведены характеристики концентрации для точного и оптимального по сочетанию точностных параметров, размеров и числа фацет для концентратора габаритами 4х4м (мощность порядка 12кВт).

Как видно из рис. 1 и для случая, когда "D = const" также имеется оптимум по углу раскрытия U0, при котором имеем максимальные средние плотности и соответст венно потоки. Причем для точных и неточных концентраторов оптимальные значения U0 существенно различаются. Так если для точного концентратора оптимальное U составляет порядка 350, то для неточного концентратора имеем достаточно большие углы раскрытия U0, порядка 550.

Eср,W/cm Eср,W/cm n= 100 Rz=0. = 0, Fx/F 0, Fx/F 0, 0,6 0, n= Rz=0.7 0, 0,4 =0 0, 20 30 40 50 60 20 30 40 50 60 U U а) точный концентратор б) неточный концентратор Рис. 1. Потоки и средние облученности в фокальной плоскости фацетного концентрато ра (4х4м) на площадке (44х44мм) в зависимости от угла раскрытия U На практике важно также знать как изменяются потоки и концентрации в фо кальной плоскости. Результаты этих исследований для концентратора с различными U0 при прямой солнечной радиации E0 = 800Вт/м2 и коэффициенте зеркального отра жения поверхности концентратора Rz =0.7 приведены на рис.2.

б) неточный концентратор а) точный концентратор Рис. 2. Плотности потоков в фокальной плоскости фацетных концентраторов при различных углах раскрытия U Результаты численных исследований показывают, что имеется практическая возможность создания фацетных параболоидных концентраторов для однозеркальных солнечных высокотемпературных установок. Из рис. 2 также следует, что размеры приемника, на которых могут быть обеспечены средние концентрации порядка 300Вт/см2, составляют для точного концентратора порядка 40мм (примерно равно ра диусу солнечного пятна), а для неточного на этой же площадке средняя плотность со ставляеть порядка 200Вт/см2, что в общем достаточно для проведения многих высоко температурных промышленных процессов.

Один из важных вопросов в фацетных концентраторах это обеспечение техно логичной и плотной укладки фацет.

Анализ показывает, что на основе предложенной ранее меридионально - ши ротной схемы (МШ) укладки фацет одного типоразмера (рис.3а) на прилегающую к параболоиду сфере[13] возможно создание новой схемы меридионально - широтной плотной (МШП) укладки фацет (рис.3б).

а) меридионально-широтнаясхема б) предлагаемая схема в) различие между схемами Рис. 3. Схемы укладки прямоугольных квадратных фацет одного типоразмера На рис. 3в приведены методические и технологические (сборочные зазоры меж ду фацетами) потери площади (Z) поверхности концентратора при укладке по схеме МШ и по предложенной МШП схемы укладки квадратных фацет различных размеров b/f (b - сторона фацеты и f - фокусное расстояние концентратора). Как видно предла гаемая схема укладки практически приближается к идеально возможной схеме уклад ки ромбовидных фацет (осуществлена на БСП) и в тоже время позволяет применять прямоугольные или квадратные фацеты одного типоразмера. Как видно из графика технологические потери площади концентратора b в общем не зависят от схемы ук ладки.

В третьей главе проводится решение задачи разработки технологии синтеза карбидов на солнечных высокотемпературных установках.

Основные задачи

технологии синтеза в солнечных высокотемпературных уста новках это определение особенностей синтеза при лучистом нагреве и определение технологических режимов - время цикла в зависимости от плотности солнечного по тока (концентрации), а также определение схемы нагрева и подачи смеси к приемнику - реактору.

Одним из основных параметров синтеза при лучистом нагреве является объем или при заданной площади сконцентрированного пятна толщина слоя реагирования (проплавления, синтеза) исходной смеси и её зависимость от плотности падающего потока излучения. В первом приближении толщина этого слоя, равна толщине слоя, на которой достигаются требуемые для синтеза температуры. При расчетных исследо ваниях для оценки толщины этого слоя была использована одномерная модель нагре ва пластины с теплопроводностью, зависящей от состава смеси. Численные исследо вания показали, что для синтеза карбида кремния плотности падающего потока могут находиться на уровне от 140 Вт/см2 до 190Вт/см2 а глубина слоя на которой достига ются требуемые температуры (около 15000С) составляют при времени нагрева до мин около 3мм и около 5мм в равновесном случае.

Полученные результаты определяют диапазон плотностей потоков излучения, которые должны быть обеспечены на модельных экспериментальных установках при исследовании процесса синтеза карбидов.

В качестве модельных установок для исследования особенностей синтеза кар бидов были рассмотрены БСП (Большая Солнечная Печь) и оптическая печь радиа ционного нагрева "Уран" (прямой лучистый нагрев). БСП позволяет более полно ис следовать тигельные процессы синтеза, а Уран позволяет проводить процессы синтеза в условиях более близких к реальным условиям, имеющим место в однозеркальных СВУ. Для расширения диапазона исследований по уровню концентраций на Уране была рассмотрена задача повышения концентраций на Уране за счет фокона (рис.4а).

в) зависимость плотности потока а) схема расчета б) вид фокона излучения от мощности лампы 1-с фоконом, 2-без фокона Рис. 4. Схема расчета и результаты применения фокона При разработке фокона учитывались возможные неточности его изготовления и возможности её аппроксимации. Так, расчеты показали, что без существенного, не бо лее чем на 10% ухудшения характеристик концентрации, фокон можно заменить ко нусом. На рис.4б, приведен разработанный конус и экспериментальные кривые рас пределения облученности от эллипсоида и системы Э-К. При лучистом нагреве важное значение имеют параметры приемника - форма, размеры, схема подачи материала. Для исследования процессов синтеза карбидов были разработаны и изготовлены различные типы приемников. Приемники - реакторы, разработанные для проведения исследований на БСП приведены на рис.5,6.

Рис. 5. Схема и общий вид вращающегося тигельного приемника Задачами экспериментальных исследований являлось, первое – определение особенностей синтеза карбидов при лучистом нагреве, определение оптимального со става исходной смеси карбидов кремния (SiO2 +C), (СаО+С), (ZrO2+C) и их свойств и, второе определение технологических параметров синтеза - плотности потока, время процесса.

Рис. 6. Общий вид ковшового приемника - реактора Исследования показали, что оптимальный состав исходной смеси по массе со ставляет для карбида кремния - 1:1 (гранулометрический состав), для карбида кальция - 1:1, и для карбида циркония - 10:1. Свойства синтезированных карбидов проверя лись по принятым методикам и показали, что полученные карбиды соответствуют требованиям ГОСТов. Необходимо отметить, что при лучистом нагреве мы можем сразу получать порошки карбида кремния, размерами от единиц микрон до 1мм. В общем при лучистом процессе размеры синтезированных частиц карбидов определя ются размерами частиц исходной смеси. Далее проводились исследования по отра ботке технологии синтеза карбидов кремния и кальция на БСП и Уране.

Отработка тигельного (закрытого способа, аналогичного, применяемому в про мышленности) метода синтеза карбидов, проводилась на БСП. Исследования показа ли, что тигельный способ синтеза карбида кремния и карбида циркония целесообразно применять на СП большой мощности с достаточно большими размерами фокального пятна. Для карбида кальция тигельный метод нецелесообразен, так как в процесс его получения необходимо плавление смеси. Для установок малой мощности более целе сообразны открытые схемы нагрева (на воздухе, или в среде). В связи с этим исследо вания по определению технологических параметров процесса - плотность и время, проводились на Установке Уран. На рис. 7 приведены зависимости выхода карбида кремния от плотности падающего потока и времени облучения. Так как размеры фо кального пятна Урана составляют около 20мм, а зона высокой плотности около 13мм то для испытаний готовились таблетки диаметром 20мм. Результаты натурных иссле дований показывают, что процесс синтеза при лучистом нагреве имеются особенно сти. Так при увеличении плотностей потоков концентрированного светового излуче ния E от 140 Вт/см2 до 150 Вт/см2 происходит достаточно быстрое увеличение выхода материала, что объясняется тем, что при E = 140 Вт/см2 температур для синтеза еще недостаточно. Далее при изменении E от 150 Вт/см2 до 180 Вт/см2 выход прореагиро ванной массы заметно увеличивается до 3мин выдержки, далее увеличение массы становится незначительным.

а) масса прореагировавшей смеси SiO2+ C б) глубина слоя реагирования Рис. 7. Изменение некоторых параметров синтеза карбида кремния в зависимости от времени облучения при различных плотностях потока излучения Также можно видеть, что при увеличении облученности E от 180 Вт/см2 до Вт/см2 заметное увеличение выхода обусловлено большим объемом реагирования. Так как максимальная глубина реагирования h, при увеличении E от 150 Вт/см2 до Вт/см2 фактически находится на уровне порядка 3мм. Т.е. различие в плотностях по тока проявляется в начальные моменты времени, а ограничение по глубине реагиро вания в основном обусловлено теплопроводностью смеси. Исследования также пока зывают, что с увеличением плотности более 170 Вт/см2, одновременно имеет место процесс разложения получаемого карбида кремния. Этот процесс становится замет ным начиная с плотностей 190 Вт/см2 и выше. Это сказывается на выходе карбида кремния так, если при плотностях до 170 Вт/см2 выход карбида кремния составлял около 90% от массы прореагированного объема, то при E 190 Вт/см2 выход уменьшал ся до 78%.

На рис.8а приведены данные по зависимости прореагированного объема смеси в зависимости от времени и плотности излучения.

Эти исследования показывают, что плотности потока излучения при синтезе карбида кремния должны находиться на уровне 160 -190 Вт/см2, однако для оконча тельного выбора режимов по плотности и времени необходимо определить произво дительность процесса по карбиду кремния. Этот параметр является одним из основ ных для оценки экономических характеристик солнечной высокотемпературной уста новки для производства карбидов. Данные по производительности карбида кремния при лучистом нагреве приведены на рис.8б.

а) выход карбида кремния б) производительность процесса синтеза Рис. 8. Выход и производительность карбида кремния при лучистом нагреве в зависимости от времени облучения Полученные экспериментальные данные по производительности солнечной вы сокотемпературной установки для синтеза карбида кремния показывают, что практи чески при всех плотностях излучения имеет место максимум производительности, ко торый зависит от плотности излучения и который (за исключение E = 140 Вт/см2) рас тет с увеличением плотности потоков светового излучения. Так для E =150 170Вт/см2 он составляет порядка 1минуты, для E =180Вт/см2 2 минуты и для E = 190Вт/см2 уже 3минуты. Это обусловлено тем, что при больших плотностях потока идет более быстрый выход на рабочие температуры и соответственно более быстрое увеличение глубины и объема реагирования. Однако в целом как видно максимальная глубина реагирования практически одинакова.

Таким образом, можно рекомендовать следующие технологические режимы синтеза карбида кремния - плотности потока могут находиться на уровне 160 - Вт/см2, а время цикла в зависимости от плотности должно составлять от 1 до 3 мин.

Т.е. при лучистом нагреве имеем циклический режим работы установки.

Для изучения процессов синтеза карбида кальция под воздействием концентри рованного потока излучения проводились аналогичные эксперименты на установке Уран. Изготавливались образцы из смеси СаО + С= 1:1 путем прессования в виде ци линдров. Образцы вводились в фокус печи и контролировались глубины проплавле ния с установления динамики процесса синтеза. На рис. 9 приведена зависимость глу бины проплавления (H) и количества карбида кальция (M) от времени экспозиции в фокусе УРАН при плотности концентрированного светового потока 200 – 220 и Вт/см2.

а) глубина проплавления б) выход карбида кальция Рис. 9. Изменение некоторых параметров синтеза карбида кальция в зависимости от плотности потока и времени облучения Как видно, при плотностях излучения E = 200220Вт/см2 глубина проплавляе мой зоны растет с повышением времени выдержки до 10 мин. и далее в интервале экспозиции 13 – 30 минут глубина реагирования почти не меняется.

Исследования показали, что при плотностях E меньших 190Вт/см2 происходит достаточно медленное проплавление смеси, и только при E больших 200Вт/см2 ин тенсивность процесса заметно растет. Т.е. при синтезе карбида кальция нужны боль шие плотности излучения. Анализ результатов показал, что глубина реагирования со ставляет около 9-10мм, а выход карбида кальция составляет в среднем 10-11г, при ра диусе плавления 10-13мм. Надо отметить, что развитие процесса плавления по объему образца с ростом мощности потока имеет нелинейный характер, что связано с зависи мостью температур от плотности излучения и пористости исходного материала.

Важной в практическом отношении также является задача синтеза карбида цир кония в потоке концентрированного светового излучения из смеси ZrO2+C. В связи с этим также были проведены эксперименты по синтезу ZrС. В качестве сырьевого ма териала использовались порошкообразные оксид циркония ZrO2 квалификации х.ч. с ТУ 6-09-2486-77 Донецкого завода химреактивов, графит марки ЭГО. Изготавлива лись соответствующие смеси окиси циркония (бадделеит моноклинной сингонии с параметрами решетки а=5,14 А, b=5,20 А, с=5,31 А) и графита в массовом соотноше нии ZrO2 : C = 10:1 и прессовались в виде таблеток диаметром 10 мм и высотой 2 мм.

Известно, что образование карбида циркония представляет собой технологи ческий процесс требующий больших затрат энергии и времени. При обычных услови ях карбид циркония образуется при температурах не менее 19000С. В связи с этим для некоторого снижения температуры синтеза карбида циркония была создана специаль ная установка-реактор, в которой поддерживался вакуум (см. рис.10). Такой реактор позволил снизить температуру синтеза. В вакууме (10-2 - 10-1 мм.рт.ст.) наблюдалось образование ZrC даже при плотностях потока 200 – 250 Вт/см2. В экспериментах, про веденных в условиях воздушной атмосферы на фокусе БСП и установки Уран при мощностях потока 350-400 Вт/см2 также наблюдалось образование карбида циркония, однако уже при плотностях излучения порядка 300Вт/см2 образование карбида цирко ния не происходило.

б) конструктивная схема реактора 1–датчик давления ионизационный ПМИ-2, 2,3-подача и отвод воды для охлаждения тигля, 4-подача среды (азот, водород), 5-кварцевое окно, 6-водоохлаждаемый алюми ниевый тигель, 7-азотная ловушка, 8-диффузионный насос Н-160, 9–насос форвакуумный 2НРВ-5ДМ, ПМТ–датчик а) внешний вид реактора давления термопарный ПМТ-4. 10-Эллипсоидный отражатель, 11-лампа ксеноновая 10кВт.

Рис. 10. Реактор для синтеза карбидов концентрированным лучистым потоком на установке Уран Анализ рентгенофазных исследований показал, что в случае воздушной среды происходит твердофазная реакции 2ZrO2+2C=ZrO2+ZrC+CO2, в то время как в случае откачиваемого вакуума (~10-4 атм) обнаружено образование карбида циркония по твердофазной реакции ZrO2+2C=ZrC+CO2. При этом продукт реакции содержит кар бид циркония кубической сингонии с параметром решетки а=4,76 А0, а структура кар бида циркония в области высоких и средних концентрации углерода не претерпевает изменений и остается структурой типа NaCl.

В элементарной ячейке содержится атома циркония в положениях 4a и 4 ато ма углерода в положениях 4b. Анализ и обобщение экспериментальных результа тов позволили предложить возможную схему синтеза карбида циркония на СП (рис.11). Как видно из схемы при плотно стях потока 350 Вт/см2 и более образова ние карбида циркония начинается на 10 17 минутах и продолжается до полного образования карбидного соединения в реагируемом объеме. Выявлена произво дительность процесса синтеза карбида циркония при лучистом нагреве. Так, в условиях синтеза на воздушной атмосфе Рис. 11. Обобщенный экспериментальный ре при выдержке 30 минут масса синтези график синтеза карбида циркония рованного карбида циркония составлял 2-2,5 грамма в области реагирования 10-11мм. В то время как в случае вакуума такое же количество карбида циркония можно синтезировать при меньших плотностях.

В четвертой главе приводятся результаты разработки однозеркальной солнеч ной высокотемпературной установки с концентратором непосредственного слежения за Солнцем для синтеза карбидов. Обосновывается схема приемника для синтеза кар бидов, а также проводится анализ технико-экономических показателей СВУ для про изводства карбида кремния. Особенность однозеркальной СВУ в том, что приемник в течении дня изменяет свое положение в пространстве. В связи с этим, а также учиты вая результаты модельных исследований была предложена следующая схема реализа ции процесса синтеза карбида кремния в СВУ с подвижным приемником (рис.12).

Для схемы приемника приведенного на рис.12а исходная смесь прессуется в виде цилиндра торец которой находится в фокусе. После выдержки в течении 3 мин про реагированный слой механически убирается и собирается в накопителе. Далее ци линдр сдвигается на 3мм и процесс повторяется. Схема приемника из плотного графи та 12б отличается тем, что цилиндр представляет набор отдельных таблеток с задан ной высотой 3 мм, т.е. после процесса синтеза цилиндр сдвигается и прореагирован ный объем падает в накопитель.

а) 1-нагреваемый образец, 2-держатель образца, 3- б) конический реактор,1-приемник из плотного гра накопитель фита, 2-послойный образец, 3-площадка для продви жения образца, 4-держатель реактора Рис. 12. Схемы приемной части технологической установки для производства карбида кремния При анализе технико-экономических характеристик СВУ мощностью 10 кВт, предназначенной для синтеза карбида кремния характеристики производительности установки определялись на основе экспериментальных данных, стоимость установки была принята равной 820000сум/м2, а срок её службы 7 лет. При работе СВУ в тече нии 150 дней в году и производительности по карбиду кремния 3кг в день и сроке окупаемости 7 лет, эксплуатационных расходах 20000сум в день на 5 установок полу чаем, что стоимость производства карбида кремния на СВУ составляет около 3.3 дол за 1кг (стоимость карбида кремния на рынке составляет от 9$ до 32 $ за 1 кг, в зави симости от чистоты).

Сравнение СВУ с промышленными печами показало, что в СВУ на 1кг продукта затрачивается около 21.4кВтч солнечной энергии (в промышленных печах около 12кВтч/кг электроэнергии), т.е. СВУ позволяет экономить достаточно большое коли чество электроэнергии.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Определены точностные требования к фацетному концентратору однозеркальных солнечных высокотемпературных установок. Показано, что при суммарной сред неквадратической неточности = 8' (юстировка =4', неточности фацет = 7') и допусках на неточность радиуса кривизны фацет R =0.2, возможно обеспечение средней плотности потока до 250Вт/см2 и использовании до 60% падающего пото ка, угловой размер фацет может составлять около 50, а оптимальный угол раскры тия концентратора составляет 550. Полученные результаты показывает реальность создания концентраторов для однозеркальных солнечных высокотемпературных установок.

2. Разработана новая схема укладки фацет концентратора, позволяющая увеличить плотность укладки близкой к идеальной укладке и одновременно позволяющая использовать прямоугольные фацеты одного типоразмера.

3. Разработано вторичное зеркало типа конуса для установки Уран, определены его оптимальные параметры с учетом неточностей изготовления, которое позволило повысить плотности потока не менее, чем в 1.5 раза.

4. Расчетно и экспериментально определены необходимые плотности лучистого по тока для синтеза карбидов, которые составляют для от 150Вт/см2 до 190Вт/см2 для карбида кремния, для карбида кальция 200-250Вт/см2 и для карбида циркония в вакууме от 250Вт/см2 до 300Вт/см2.

5. Предложена техническая схема реализации процесса синтеза карбидов в фокусе концентратора непосредственного слежения, показано, что наиболее целесообраз на плоская форма облучаемой поверхности смеси с послойным снятием продукта глубиной до 3мм и временем выдержки от 30с до 3мин в интервале плотностей от 150Вт/см2 до 200Вт/см2.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. С.А.Азимов. Научно-Производственный комплекс “Солнце”. Бизеркальная поли гелиостатная Солнечная печь тепловой мощностью 1000 кВт // Гелиотехника, Ташкент, 1987. - № 6. – С. 3.

2. Trombe F. and A. Le Phat Vinh. Thousand KW Solar Furnace // Built by the National Center of Scientific Research in Odeillo. Solar Energy.-France. 1973.-Vol. 15.-57 p.

3. Ласло Т. Оптические высокотемпературные печи. -М.: Мир, 1968. -207с.

4. Ищенко Е. Ф. Оптические печи // Электротермия.- Москва, 1963. - № 4.-С. 20 22.

5. Баум В.А. «Солнечные высокотемпературные печи» сборник переводов. - Моск ва. Издательство иностранной литературы, 1960.-450c.

6. Даффи Дж. А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. -М.: Мир, 1977. -420с.

7. Марковский. Л.Я. Оршанский Д.Л. Химическая электротермия. -М.: Госхимиз дат, 1952. -104с.

8. Добролеж С.А. Карбид кремния. - Киев. Наукова Думка, 1963. -673с.

9. Косолапова Т.Я. Карбиды. - Москва. Металлургия, 1968. -300с.

10. Браут Р. Фазовые переходы. - Москва. Мир, 1967. -288c.

11. Клычев Ш.И., Захидов Р.А., Бахрамов СЛ., Дудко Ю.А., Худойкулов А.Л., Клы чев З.Ш., Худойбердиев И.А. Оптимизация параметров системы параболоци линдр - приемник солнечных теплоэнергетических станций // Гелиотехника, Ташкент, 2009. -№ 4. – С. 97-101.

12. Клычев Ш.И. Моделирование приемно - концентрирующих устройств солнечных теплоэнергетических установок.: Дис. д.т.н… -Ташкент: ФТИ, 2004. -268c.

13. А.С. (СССР) 1478180 / Клычев Ш.И., Захидов Р.А. Параболоидный отражатель // Б.И. -1989. - №17.

4. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ 1. Адылов Г.Т., Файзиев Ш.А., Пайзуллаханов М.С., Нурматов Ш.Р., Мухсимов С.

Огнеупорные материалы на базе местного сырья и промышленных отходов // Композиционные материалы. - Ташкент, 2002. -№3. -С. 42-44.

2. Пайзуллаханов М.С., Файзиев Ш.А., Адылов Г.Т., Нурматов Ш.Р., Мухсимов С.

Особенности синтеза карбида кремния из рисовой шелухи // Гелиотехника. - Таш кент, 2003. -№3. -С. 73-75.

3. Пайзуллаханов М.С.,.Файзиев Ш.А, Нодирматов Э.З., Нурматов Ш.Р. Большая Сол нечная Печь как инструмент для получения кремнийсодержащих материалов // Ге лиотехника. - Ташкент, 2004. -№4. -С. 59-63.

4. Файзиев Ш.А., Пайзуллаханов М.С., Адылов Г.Т., Нодирматов Э.З., Нурматов Ш.

Р., Ирматова Ш. К. Синтез кремнийсодержащих материалов из рисовой шелухи // Узбекский химический журнал. - Ташкент, 2004. -№4. -С. 22-24.

5. Пайзуллаханов М.С., Файзиев Ш.А., Адылов Г.Т. Огнеупорный материал, получен ный из шелухи риса, термообработанной на большой солнечной печи // Гелиотех ника. - Ташкент, 2005. -№2. -С.73-76.

6. Абдурахманов А.А., Пайзуллаханов М.С., Файзиев Ш.А., Нурматов Ш.Р. Особен ности синтеза карбида кальция на Большой Солнечной Печи. // Гелиотехника. – Ташкент, 2005. -№4. -С.91-94.

7. Пайзуллаханов М.С., Файзиев Ш.А., Нурматов Ш.Р. Изучение карбидкремниевых материалов полученных на Большой Солнечной Печи // Гелиотехника. – Ташкент, 2007. -№4. -С.105-107.

8. Потапов В.И., Нурматов Ш.Р., Файзиев Ш.А., Пайзуллаханов М.С. Особенности синтеза карбида кальция на Большой Солнечной Печи // Гелиотехника. – Ташкент, 2008. -№3. -С. 66-68.

9. Абдурахманов А.А., Клычев Ш.И., Нурматов Ш.Р., Файзиев Ш.А. Распределение облученности вдоль оси параболоидных концентраторов // Гелиотехника. – Таш кент, 2009. -№4. -С. 95-97.

10. Файзиев Ш.А., Пайзуллаханов М.С., Нурматов Ш.Р. Особенности синтеза карбо нитрида циркония на Большой Солнечной Печи // Гелиотехника. – Ташкент, 2010.

-№1. -С. 57-59.

11. Пайзуллаханов М.С., Файзиев Ш.А., Нурматов Ш.Р. Особенности синтеза карбида кремния из рисовой шелухи на Большой Солнечной Печи // XVII научно техническая конференция Конструкции и технологии получения изделий из неме таллических материалов 12-14 октября 2004. – Обнинск, 2004. -С. 97-99.

12. Пайзуллаханов М.С., Файзиев Ш.А., Нурматов Ш.Р., Нодирматов Э.З. Свойства карбида кальция, полученного на большой солнечной печи // Региональная цен трально-азиатская международная конференция по химической технологии 6- июня 2007. –Ташкент, 2007.-С.100-102.

13. Сафаралиев Г.К., Шабанов Ш.Ш., Кардашова Г.Д., Нурматов Ш.Р., Файзиев Ш.А., Пайзуллаханов М.C. Разработка технологии получения керамических мишеней (SiC)1–x(AlN)x для магнетронного распыления // IX Международная конферен ция “Пленки и покрытия - 2009” 26-29 мая 2009. - Санкт-Петербург, 2009. -С. 246 247.

14. Файзиев Ш.А., Пайзуллаханов М.С., Нурматов Ш.Р. Синтез карбонитрида цирко ния с использованием лучистого нагрева // Материалы международной конферен ции Фундаментальные и прикладные вопросы физики 27-28 ноября 2003. – Ташкент, 2003.-С.175.

15. Файзиев Ш.А., Пайзуллаханов М.С., Адылов Г.Т., Нодирматов Э.З., Нурматов Ш.Р. Рисовая шелуха – сырьё для синтеза кремнийсодержащих материалов // Рес публика илмий анжумани Махаллий хом ашёлар ва ишлаб чиариш чииндилари асосида материаллар олиш муаммолари 12-13 октября 2004. –Ташкент, 2004.-С.

16-17.

16. Пайзуллаханов М.С., Файзиев Ш.А., Нурматов Ш.Р. Карбидкремниевый материал, полученный из шелухи риса на большой солнечной печи // Сборник материалов Республиканкой научно-технической конференции Актуальные проблемы созда ния и использования высоких технологий переработки минерально-сырьевых ре сурсов Узбекистана 2-3 октября 2007. –Ташкент, 2007.-С. 276-277.

17. Пайзуллаханов М.С., Файзиев Ш.А., Нурматов Ш.Р., Нодирматов Э.З. Особенно сти получения карбидов кремния и кальция на большой солнечной печи // Мате риалы республиканской научно-технической конференции Получение нанокомпо зитов, их структура и свойства 5-6 июля 2007. –Ташкент, 2007. -С. 221-222.

РЕЗЮМЕ диссертации Нурматова Шавката Расулматовича на тему: “ Разработка однозер кальных солнечных высокотемпературных технологических установок и техноло гии синтеза карбидов ” на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.08-Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии.

Ключевые слова: концентрированная солнечная энергия (КСЭ), установка УРАН, Большая Солнечная Печь (БСП), зеркально концентрирующая система (ЗКС), солнечные установки, реакторы, приемники, карбиды.

Объекты исследования: концентрированные потоки установки УРАН, техно логические установки БСП, состояние материалов при воздействии концентрирован ного потока излучения.

Цель работы: разработка требований к точностным характеристикам однозер кальных концентраторов солнечных высокотемпературных установок, а также разра ботка технологии синтеза карбидов на солнечных установках.

Методы исследования: математическое моделирование, численные и натурные эксперименты.

Полученные результаты и их новизна:

-впервые определены требования к точностным характеристикам однозеркальных фацетных концентраторов солнечных высокотемпературных установок;

-предложена новая схема укладки фацет;

разработана и программно реализована тепловая модель процесса лучистого нагрева материалов;

-впервые определены технологические режимы процесса синтеза карби дов при лучистом нагреве.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных данных в гелиотехнике при разработке и создании высокотемпературных Солнечных Установок, а также в солнечном материаловедении при синтезе материа лов.

Степень внедрения и экономическая эффективность: результаты работы вне дрены в виде методик контроля характеристик высокотемпературных концентраторов и устройств повышающих эффективность солнечных имитационных установок.

Область применения: результаты диссертации могут быть использованы в ге лиотехнике при исследовании и контроле оптико-энергетических характеристик вы сокотемпературных концентраторов, а также при разработке солнечных теплоэнерге тических установок.

Техника фанлари номзоди илмий даражасига талабгор Нурматов Шавкат Расулматовичнинг 05.14.08– айта тикланадиган энергия турлари асосидаги энергия урилмалари ихтисослиги бўйича “Бир ойнали уёш урилмалари ва карбидлар синтез илиш технологиясини ишлаб чииш” мавзусидаги диссертациясининг РЕЗЮМЕСИ Таянч сўзлар: концентраторацияланган уёш нурлари (КН), Катта уёш Сандони (КС), УРАН урилмаси, ойнали (кўзгули) мужассамловчи тизим (КМТ), уёш урилмаси, реактор, карбидлар.

Тадиот объектлари: УРАН урилмаси, КС ни фокал исмидаги технологик урилмалар.

Ишнинг масади: юори хароратли бир кўзгули уёш урилмалари анилик характеристикаларига бўлган талабларни ишлаб чииш, хамда карбидларни мужассамлашган уёш нурларида синтез илиш технологиясини ишлабчииш.

Тадиот услублари: математик моделлаштириш, сонли ва амалий тажрибалар.

Олинган натижалар ва уларнинг янгилиги: юори хароратли бир кўзгули уёш урилмалари анилик характеристикалари амалий ўллаш нутаи назаридан ишлаб чиилди. Фацеталарнинг янгича жойлаштириш усули таклиф илинди. Синтез жараёнларини тахлил илиш имкониятини берадиган математик модел ишлаб чиилди. Мужассамлашган уёш нурларида карбидлар синтез илишнинг оптимал шароитлари ўрганилиб, биринчи марта амалда синалди.

Амалий аамияти: олинган натижалар гелиотехникада уёш урилмаларини ишлаб чиишда, уёш материалшунослиги сохасида синтез жараёнларини амалий тахлил илишда, тежамкор уёш технологик урилмаларини амалий тадби илишда ишлатилади.

Татби этиш даражаси ва итисодий самарадорлиги: олинган натижалар юори хароратли концентраторларни моделлаштиришда ва лаборатория урилмаларини самрадорлигини ошириш учун тадби этилди.

ўлланиш соаси: диссертация натижалари гелиотехникада юори харорат берувчи концентраторларининг оптик-энергетик хусусиятларини кузатиш, тади илиш ва материаллар синтез илишда, уёш теплоэнергетик урилмаларини ишлаб чиишда ўлланилиши мумкин.

RESUME Thesis of Nurmatov Shavkat Rasulmatovich on the scientific degree of candidate of techni cal sciences on a speciality 05.14.08 – conversion of renewable kinds of energy resources and installation on their base, subject “Development solar high temperature of the technological installation and technologies of the syntheses carbide” Key words: concentrated solar energy (CSE), Big solar furnace (BSF), mirror concen trating system, installation URAN, mirror concentrating system (MKS), solar installation, reactors, receivers, carbides.

Subjects of research: сoncentrated flows of the Installation URAN, technological in stallation BS, condition material at influence of the concentrated flow of the radiation.

Purpose of work: research the methodic and technical problems is a development of the requirements to feature high temperature solar concentrator of the installation, as well as development to technologies of the syntheses carbide on solar installation Methods of research: мathematical modeling, numerical and natural experiments.

The results obtained and their novelty: for the first time requirements is determined to feature facet high temperature solar concentrator installation. The new scheme of the stowage facet is offered. It is designed and software marketed heat model of the process of the radiant heating material. For the first time technological modes of the process of the syn theses carbide are determined under radiant heating.

Practical value: the results of the work can be used in heliotechnique at development and creation high temperature Solar Installation, as well as in solar material sciences at syn theses material..

Degree of embed and economic effectivity: the results of research embed as in the manner of methods of the checking the features high temperature concentrator and device raising efficiency of the solar simulation installation.

Field of application: fhe results of dissertation can be used for in heliotechnique at study and checking optometrist-energy features high temperature concentrator, as well as at development solar heat energy installation.