（工程热物理专业论文）一种高密度辐照计的设计及性能分析.pdf

中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：么型作者签名：丛! 鑫2 2 0 0 7 年6 月2 5 日 中国科学技术大学硕士学位论文：一种高密度辐照计的设计与性能分析 摘要 本文讨论了一种能够测量高密度辐照( 1 0 k w m 2 到1 5 m w m 2 ) 的测量计， 阐述了这种高密度辐照计的测量原理，对不同辐照密度情况下的测量状况进行 了数值计算。分析了辐照投射角、测量桥的传热特性、结构和材料等因素对测 量性能的影响。结果表明：铜制辐照计完成测量的响应时间不超过5 s ，输出温 差与投射辐射密度成正比；较长的测量桥适用于辐照密度低、分辨率要求高的 场合，较短的测量桥则适用于辐照值较高的场合；用热扩散系数高的材料制造 的辐照计，其测量上限值较高，而用热扩散系数低的材料制造的辐照计，则有 较高的分辨率和较低的测量下限值。 关键词：高密度辐照；测量：辐照计；转换系数。 中国科学技术大学硕士学位论文：一种高密度辐照计的设计与性能分析 a b s t r a c t ar a d i a t i o nm e t e rf o rh i g hd e n s i t yr a d i a t i o nf l u x ( 1 0 k w m 2t o 1 5 0 0 0 k w m 2 ) m e a s u r e m e n t sh a sb e e nd e v e l o p e d t h er a d i o m e t e ri sm a d eo fc o p p e ra n di t s r e s p o n s et i m ei sl e s st h a n5 s t h eo u t p u ti sat e m p e r a t u r ed i f f e r e n c et h a ti s p r o p o r t i o n a lt ot h er a d i a t i o nf l u x t h ek e yi n f l u e n c i n gf a c t o r s ，s u c ha sr a d i a t i o n i n c i d e n ta n g l e ，h e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s ，c o n f i g u r a t i o na n dm a t e r i a lo ft h e m e a s u r i n gr o d ，a r ea n a l y z e d al o n g e rr o di sa p p r o p r i a t ef o rm e a s u r e m e n to fl o w d e n s i t yr a d i a t i o na n do fh i g h e rr e s o l u t i o n ，w h i l eas h o r t e ro n ef o rh i g hd e n s i t y r a d i a t i o na n do fm o d e r a t er e s o l u t i o n ；t h er o dm a d eo fm a t e r i a lw i t hh i 。g ht h e r m a l d i f f u s i o nc o e f f i c i e n th a sah i g hm e a s u r i n gu p p e rl i m i tv a l u e ，w h i l et h er o do fl o w t h e r m a ld i f f u s i o ne o e f f i c i e mh a sal o wl o w e rl i m i tv a l u ea n d l l i g hr e s o l u t i o n k e yw o r d ：h i g hd e n s i t yr a d i a t i o nf l u x ；m e a s u r e m e n t ；r a d i o m e t e r ：t r a n s f o r1 3 0 e 伍c i e n t 2 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 赵晓 第一章绪论 1 1 前言 能源与国民经济的发展有着密切的联系，随着经济的增长和技术的进步，以 及人口的不断增加，能源需求也随之增长，而以煤炭、石油等为主体的矿物能源 已渐渐不能满足未来的能源需要，这迫使人类在重视节能的同时，必须抓紧新能 源和可再生能源的开发，以求改变整个能源结构。在各种可再生能源中，研究最 多、应用最广且涉及学科最多的就数太阳能。太阳能可以说是一种用之不竭、取 之不尽的清洁能源，许多发达国家为太阳能的利用投入了大量的研究力量，这极 大地推动了太阳能研究的发展，也带动了与太阳能研究相关的一些技术的发展， 与太阳能聚焦收集技术有关的高密度太阳辐照测量便是其中之一。 高密度辐照测量技术是伴随着太阳能应用的不断深入而发展起来的。一般来 说，超过2 0 k w m 2 以上辐照，即可认为是较高密度的辐照。随着一些太阳能应 用工程，如太阳能热发电技术和太阳能制氢技术的深入研究，工程所用的工作辐 照值越来越高，为了能够准确地测算工程的一些运行参数，需要准确测量辐照值。 1 2 高密度辐照的应用情况 在国外，高密度太阳能应用研究历时已久，美国、西班牙、德国、瑞士、法 国、以色列等国家以国家投资的形式设立了太阳能研究机构【2 】，主要有：美国的 s 1 v r f ( n a t i o n a ls o l a rt h e r m a lt e s tf a c i l i t y ) ，西班牙的p s a ( p l a t a f o r m as o l a rd e a l m e r i a o f c i e m a t ) 以及德国的p a n ( p a r a b o l i c t e s t b e dc o n c e n t r a t o r ) 等。这些机 构积累了丰富的实验数据，为太阳能应用研究提供了极大的支持，如德国太阳能 研究机构的赫尔姆斯2 号系统能提供的数据包括：聚焦平面上的能量强度，接收 器的辐射通量，接收器反射率，反射装置特性以及通过测量辐射表面发出的红外 辐射的情况所获得的接收器表面的温度数据。这些数据为德国的一些太阳能电站 的选址、前期核算以及投资规模等前期决策工作提供了详实的论据。 这些太阳能研究机构的主要设备是太阳炉。太阳炉是一个由辐照收集装置、 调节装置、接收装置等组成的工作系统。聚焦装置又分为大直径的聚焦器和由多 3 第一章绪论 个反射单元组成的反射阵列两种。聚焦装置通过特定的几何形状把太阳辐照汇聚 成较高密度辐照，经过光路上的调整装置，把聚焦后的辐照进行部分的提取以完 成不同的测试实验。接收装置是在辐照焦平面位置安装的机构，它通过一些转化 装置把辐照转化成为可以测量的物理量，如电能、热能等，同时这里也是提取实 验结果的地方，一般为塔式结构，设置有工作台，便于安装各种可接收聚焦辐照 的接收器以及用于控制和处理实验数据的计算机等设备。 1 美国国家太阳能实验室的太阳炉 n s t t f ( n a t i o n a ls o l a rt h e r m a lt e s tf a c i l i t y ) 是美国能源部桑地那国家实验 室( s n l ) 的套测试设备，其主要工作是为太阳能方向的研究服务，该试验室已 经完成的试验有空问热力学仿真研究、材料研究、辐射流量调节、臼光反射装置 性能测试、高级接收器测试以及其他一些与辐照有关的实验内容( 比如融盐泵、 光电储存等) 。其聚焦装置在工作时将5 5 0 0k w m 2 的辐照投射到位于焦平面的 测试塔上，塔上则安装有接收器和其他的实验设备。在正常工作条件下，接收器 的峰值辐照密度为2 6 0 0k w m 2 ，其中9 0 的能量集中在直径0 7 米的区域内。 2 美国可再生能源实验室的太阳炉 h f s f ( h i g h f l u xs o l a rf u r n a c e ) 是美国可再生能源实验室建造的一套测试 设备，工作时能够产生极高辐照密度的聚焦光斑，h f s f 从建成以来支持了大 量的实验研究，如测试了芝加哥大学开发的辐照值近2 1 0 0 k w m 2 的双级聚能示 范系统的性能。同时h f s f 的测试设备也用于一些材料研究试验、消除放射污染 的气相化学试验以及其他与使用聚焦光束有关的工业技术试验。h f s f 的主集能 器工作时其焦平面光斑上最高辐照密度可达2 5 0 0 0k w m 2 ，此时9 0 的能量集中 在直径为1 0 0 r a m 的光斑内，其二级集能器工作时，在焦平面附近的辐照值可达 5 0 0 0 0k w m 2 。 3 德国太阳能实验室的太阳炉 德国太阳能实验室的太阳炉可用于完成太阳能化学和新材料研究领域的一 些实验。主要有化学药品制造过程中的太阳能应用、废物消毒、化学能量储存， 矿物能源替换、特殊材料制造以及材料的表面加工等。为提高太阳辐射密度，它 采用了非成像的二级聚焦器，其峰值辐照密度为4 0 0 0 k w m 2 ，9 0 的能量集中在 直径为1 3 0n l n l 的光斑内。 4 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 赵晓 4 瑞士p s i 高辐照密度太阳炉 瑞士p s i ( p a u ls c h e r r e ri n s t i t u t e ) 太阳炉从1 9 9 1 年开始启用，由一台双结构 高能聚焦器和一台抛物面集能器组成。该设备主要用于高温太阳化学领域以及聚 焦太阳能的转换和储存的研究。p s i 太阳能化学研究计划的主要内容是水在高温 太阳能热化学过程中分解的研究。其测试设备所开展的实验包括直接吸收粒子接 收器，反应器的研究测试、高密度辐照条件下热力学的研究以及新的高温测量方 法的研究。p s i 太阳炉够产生大约6 0 0 0 k w m 2 的辐照密度，其中9 0 的能量集中在 直径为1 4 0 m m 圆形范围内。 s 乌兹别克科学院离密度辐照太阳炉 乌兹别克科学院1 m w 高密度辐照太阳炉在1 9 8 7 年建成，主要研究方向是对 不同材料在高密度辐照条件下进行热处理时的化学和物理变化的基本原理进行 研究。研究范围广泛，包括从坚硬的材料光子和离子成份的交互作用机制的研究 到纯粹陶瓷材料和有明确比例的多组分系统材料的研究，u a s 太阳炉是个二级镜 面系统。在焦点区建造了一座由工作间和控制间组成的塔状建筑，用于承载试验 仪器和控制实验过程。其最高辐照密度为1 0 0 0 k w m z 。 6 以色列太阳能实验室太阳妒 以色列太阳能实验室的1 6 k w 高密度辐照太阳炉采用两级聚焦结构，可以获 得较高的辐照密度，主要用于小规模的太阳能实验，在1 9 8 6 年开始投入使用。太 阳炉能将约1 6 k w 的功率聚焦在焦平面直径1 0 0 m m 的光斑之内。 另外，沙特、印度、日本等国也计划建立各种不同规模的太阳能聚焦设备。 随着这些设备的广泛应用，高密度辐照应用所涉及的范围也越来越广，在这些应 用过程中，高密度辐照测量无疑是一个很重要的环节，特别是随着辐照值的提高， 如何解决在高温环境中测量辐照值成为一个倍受关注的研究课题。 1 3 高密度辐照的测量方法 高密度辐照测量技术是在常用辐照测量方法的基础上发展而来的，测量原理 基本相同，其根本思想就是将辐照转化成其他容易测量的能量之后进行测量。按 测量方式，可将测试方法分为间接测量和直接测量两种。 间接测量法是利用一些现代光学设备测量辐照的一些物理光学特性( 如红外 特性、光强、波长、光谱性质等) 的变化情况，通过了解这些物理性能的变化来 5 第一章绪论 推知辐照的密度值，常见的方法有： 1 灰度图法 在焦平面附近放置高亮度的反射板，让聚焦辐照投射到反射板上，然后使用 数码相机，对反射板拍照，将所得相片处理成灰度图，并提取灰度图上的相素点 的灰度值，通过比较不同辐照密度条件下灰度图的灰度特征变化来推知投射辐射 的密度值。 2 红外图法 将特制的反射板放置在聚焦辐照的焦平面附近，让待测辐照投射到反射板上 形成光斑，利用红外相机对反射板上的光斑进行拍照，分析所得相片，可获取辐 照的红外特征。显然不同密度的辐照的红外特征也会不同，因而可以通过分析红 外特征的差异来推算待测辐照的密度值。 反 射 屏 图1 1 间接法测量高密度辐照示意图 直接测量法是利用安装在焦平面靶板上的测量仪器直接测量投射辐射的密 度，通过测量仪器的输出来获得测量结果。在测量时，仪器将辐照转化为其他形 式的能量( 如电能、热能等) 来测量。在需要测量辐照的空间分布时，可以将多 个测量仪器按照不同的空间位置进行布置，从而获得焦平面上一些特定点的辐照 值，以此来了解焦平面上的能量分布情况。主要的测量方法有： 1 利用热探测器测量 借助投射辐射的热效应引起探测器某种物理性质的变化来进行测量，常用的 形式有热电堆、热电偶及双金属片等。 6 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 赵晓 热电偶和热电堆实际上就是一种量热计式的传感器，利用热电偶和热电堆受 热后能形成热电势的特点，通过测量热电势的变化量来表征被测量的辐照密度 值。 双金属片是一种机械式的探测器，利用两种不同材料的金属片在受热时产生 不同程度的膨胀的特点，通过测量膨胀值来表征待测的辐照密度值。 2 利用光子探测器测量 光子探测器将投射辐射直接转换为与辐照密度成比例的电信号，常用的有太 阳能电池、光学感应器及感应薄膜等。 太阳能电池利用光电转换效应，把照射在其表面上的辐照转换成电信号，通 过测量电信号的变化来表征被测辐照的密度值。 光学传感器主要是指光纤传感器，它是利用光纤本身对被测辐照具有的敏感 性而开发出来的传感器，在辐照的作用下，光纤传输的光的强度、相位和偏振态 等特性都会发生变化，通过测量光的这些变化值，可达到测量辐照值的目的。 感应薄膜依赖于投射辐射作用于薄膜时所产生的些物理及化学特性变化 来实现测量，如利用氧化铟薄膜制成的感应器，在光照条件下，薄膜产生电离， 形成离子电流，通过研究这些特性的变化情况，可推算投射辐射的密度值。 显然，间接测量和直接测量各有特点，其基本原理就是通过使用不同仪器来 测量辐照的光效应和热效应的变化，实现辐照密度值的测量。间接测量法在测量 时不受高辐照密度产生的高温环境的影响，可以测量较高的辐照值，而且在测量 能流密度分布时，能够获取完整的分布情况，数据比较充分，适应未来辐照密度 不断提高的发展趋势。直接测量法可以准确地获知焦平面上特定点的辐照值，通 过增加辐照计的布置密度，也可以较为准确地测量焦平面能流场的分布情况，是 目前大量用于工程实践的成熟方法，随着新材料和新设计的不断发展，其应用空 间也不断拓展，重要的一点是，间接测量法需要直接测量法标定其测量结果，这 些因素决定了现阶段进行高密度辐照测量仍然以直接测量为主，这也可以从国外 一些测试设备的测量思路得到验证，目前在公开报道的测试设备中有9 0 使用的 是直接测量法【i l 。 通过对国外测试设备的调研，可以看到，随着结构设计、制造材料和制造工 艺的不断改进以及各国经济水平的提高，制造大型聚焦装置越来越容易，所获得 7 第一章绪论 的辐照值也越来越高，在一些聚焦器的焦平面上辐照密度已高达1 4 0 0 0 k w m 2 ， 在这种高密度辐照条件下工作，对测量仪器接收器的要求就比较高，接收器所能 承受的工作条件直接影响辐照测量仪器所能测量的最高强度，所以改进接收器是 提高测量范围的途径之一。目前接收器的主要形式有： 1 在接收器靶板上安装吸收盘管 在盘管中利用特殊工质( 如钠、无机盐【1 】嘲等) 吸收投射辐射，通过测量工 质进出口温度来推算辐照密度。比较典型的是在国际能源组织小功率太阳能系统 上使用的盘管接收器，设计方案由f r a n c o t o s i 等人提出峨其结构如图1 2 所示。 钠盘管接收器由5 组面板组成，每组面板由3 9 根直径1 4 m m 的管子串连而成， 面板的厚度为l m m ，工质为金属钠。在测量辐照密度的实验中，测量的峰值为 1 3 8 0 k w m 2 ，设计者预测钠盘管接收器可以测量3 0 0 0 k w m 2 或更高的辐照密度 值。 图1 - 2 钠盘管接收器结构示意图 2 在接收器靶板上安装光伏电池 这种方法结合光伏电池与冷却系统，将投射辐射转化成电信号，以此来获得 辐照密度值。这种方法由y s t s u o 等人提出【3 】。他们将光伏电池直接安装在靶 板的不同位置上接收辐照，记录光伏电池所产生的电压值，以此来推算辐照密度 值。在ys t s u o 所做的实验中，这种方法可测量的最高值为2 0 0 0 k w m 2 。 3 在接收器靶板上安装各种辐射计 这种方法是利用辐射计直接测量高辐照密度。在文献【4 】中，s k h 8 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 赵晓 s u l e i m a n o v 等人提出了这种测量方法。在靶板上的特定位置按照测量要求安装数 个辐射计，每个辐射计有自己的冷却系统。 辐射计通过吸收腔将辐照转化成热能，利用热电偶输出热电势，根据热电势 可推算辐照密度。该系统采用铜质辐射计，采用水冷，测量极限可达1 2 0 0 0 k w m 2 ， 其响应时间在1 5 s 以内。根据预测，该系统理论上可以测量1 3 0 0 0 k w m 2 以内的 辐照密度。 比较这几种接收器的设计形式，可以看出，在接收器靶板上安装辐射计的形 式在现有技术条件下有一定优势，主要表现在：( 1 ) 测量上限值高，有较大的量 程范围。( 2 ) 测量方法灵活，既可以作为单独的测量仪器完成局部测量，又可组 成阵列完成较大范围内的辐照测量。实现这种测量方法的关键在于辐照计的设 计。 1 4 本文的研究内容 作者根据文献 4 提出的测量方法，建立了一种高密度辐照计的数理模型， 阐述了这种辐照计的工作原理，系统地分析了影响这种辐照计性能的主要因素， 如吸收腔和测量桥的几何结构以及材料的热物性，给出了多种情况下这种测量计 的测量极限、分辨率以及相应时间。具体内容有： 1 ) 辐照计吸收腔吸收机理的研究 阐述了吸收腔对投射辐射的吸收原理，吸收腔内表面吸收涂层的制备方法及 选择，建立了辐照投射模型，利用光线追踪法描述了投射辐射在吸收腔内的吸收 过程，定义了表征吸收腔的转换能力的转换系数，最后考虑了引起误差的因素以 及误差的估算。 2 ) 辐照计测量桥的换热分析 建立了测量桥换热模型，详细分析了测量桥的换热过程，利用热平衡原理， 建立了换热方程；按照一维传热模型，给出了测量桥换热过程的离散方程，并进 行了数值模拟计算，得到了不同辐照条件下，测量桥温度场的分布情况。 3 ) 辐照计参数分析 以数值模拟结果为基础，分析了辐照投射角的变化对辐照计测量结果的影 响；同时也讨论辐照计测量桥的长度、材料等因素对测量桥测量性能的影响。 9 参考文献 【l 】ws c h i e l ，m g e y e r ，r c a r m o n a ，t h ei e a s s p sh i g i lf l u xe x p e r i m e n t ，s p r i n g e r - v e r l a g b e r l i nh e i d e l b e r g ，1 9 8 7 【2 】l o r i nl v a n t - h u l l ，t h er o l eo f “a l l o w a b l ef l u xd e n s i t y ”i nt h ed e s i g na n do p e r a t i o no f m o l t e n - s a l ts o l a rc e n t r a lr e c e i v e r s ，j o u r n a lo f s o l a re n e r g ye n g i n e e r i n g ，2 0 0 2 。 【3 v ，s t s u o ，j r p i t t s ，m d l a n d r y ，c e b i n g h a m ，h i g h - f l u xs o l a rf u r n a c ep r o c e s s i n go f s t i e o ns o l a r c e l l s ，1 9 9 4 ，i e e e 。 f 4 】s k h s u l e i m a n o v ，o a d u d k o ，gm a r u s h a n o v ，o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h er o d m i c r o r a s i o m e t e rf o rh i g hd e n s i t yl i g h tf l u x s ，a p p l i e ds o l a re n e r g y ，1 9 9 7 。 【5 】lgp o l g a r ，j r h o w e e l l ，d i r e c t i o n a lt h e r m a l r a d i a t i v ep r o p e r t i e so fc o n i c a lc a v i t i e s ， n a s a t n d 2 9 0 4 ，1 9 6 5 。 【6 】弗兰克p 英克鲁佩勒等著，葛新石，王义方等译，传热的基本原理，安徽教育出版社 1 9 8 5 。 f 7 】j c 麦克维著，方铎荣译，太阳能应用导论，国防工业出版社，1 9 8 4 。 【8 】陈则韶，葛新石，顾毓沁，量热技术和热物性测定，中国科学技术大学出版社，1 9 9 0 。 【9 】a l l a nl e w a n d o w s k i ，t h ed e s i g no f a nu l t r a - h i g hf l u xs o l a rt e s tc a p a b i l i t y ，19 8 9 ，i e e e 。 f 1 0 】j k a m i ，a k r i b u s ，r r u b i n ，p d o r o n ，t h e p o r c u p i n e ”an o v e lh i 曲- f l u xa b s o r b e rf o r v o l u m e t r i cs o l a rr e c e i v e r s ，j s o l a re n e r g ye n g i n e e r i n g 。 【l1 】s c h i e l ，w o l f g a n gj c ，g e y e r , m i c h a e la ，t e s t i n ga l le x t e r n a ls o d i u mr e c e i v e ru pt oh e a t f l u xo f 2 5m w m 2r e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sf r o mt h el e a s s p sh i g hf l u xe x p e r i m e n t c o n d u c t e da tt h ec e n t r a lr e c e i v e rs y s t e mo f p s a ( s p a i n ) ，s o l a re n e r g y ，1 9 8 8 。 【1 2 】l e w a n d o w s i 【i ，a l l a n ，b i n g h a m ，o n e a n dt w o s t a g ef l u xm e a s u r e m e n t sa tt h es e r ih i g hf l u x s o l a rf u r n a c e ，s o l a re n e r g yr e s e a r c hl n s t ，g o l d e n ，c o ，u s a ，1 9 9 1 。 【1 3 】g ex i n s h i ，g o n gb a n ，l uw e i d e ，w a n gy i - f a n g ，s o l a re n g i n e e r i n g - p r i n c i p l e sa n d a p p l i c a t i o n s ，b e i j i n g a c a d e m i c j o u r n a lp r e s s ，1 9 8 8 。 1 4 】m a k i b a ，m a r a k i ，m d a i r a k u ，k f u k a y a r h i g hh e a tf l u xe x p e r i m e n t sa tj a e r i ，1 9 8 9 ， i e e e 。 【1 5 】朱麟章编著，高温测量原理与应用，科学出版社，1 9 9 1 。 1 0 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 赵晓 【1 6 】d a n i e lf e u e r m a n n ，j m g o r d o n ，h i g h f l u xs o l a rc o n c e n t r a t i o nw i t hi m a g i n g ，d e s i g n ss o l a r e n e r g yv 0 1 6 5 , n o 2 ，1 9 9 9 e 1 7 】j a c kf e n d i e y ，m i c h a e lh u t c h i n s ，as e l e c t i v e s u r f a c es o l a rr a d i o m e t e r ，a m e r i c a na s s o c i a t i o n o f p h y s i c st e a c h e r s ，1 9 8 4 【1 8 】m b e n g h a n e m ，a m a a f i ，m e a s u r e m e n ts y s t e mf o rs o l a rr a d i a t i o n ，i e e e i n s t r u m e n t a t i o na n d m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yc o n f e r e n c e1 9 9 7 。 【1 9 m 阔。赵文华，朱曙光等，一种新型红外多谱段高温计的研究，计量学报，2 0 0 1 。 2 0 】a l l a nl e w a n d o w s k i ，t h ed e s i g no f a nu l t r a - h i g hf l u xs o l a rt e s tc c a p a b i l i t y ti e e e ，1 9 8 9 。 2 1 1 赵建中，抛物柱面聚焦器的参数设计及其焦平面辐射通量分布的计算和实验研究，中 国科学技术大学硕士论文，1 9 9 3 。 【2 2 】m ，b e e k e r ，t h eg a s - c o o l e ds o l a rt o w e rt e c h n o l o g yp r o g r a m ，s p r i n g - v e r l a g ，1 9 8 9 。 【2 3 】s o l a rt h e r m a lc o n c e n t r a t i n gt e c h n o l o g i e s ，c f m u l l e r - v e r l a g ，1 9 9 7 【2 4 】杨世铭，陶文铨编著，传热学，高等教育出版社，2 0 0 6 。 【2 7 】王汝琳，王咏涛编著，红外检测技术，化学工业出版社2 0 0 6 。 2 8 】濮良贵，纪名刚编著，机械设计，高等教育出版社，2 0 0 6 。 2 9 】黄靖远，龚剑霞，贾延林主编，机械设计学，机械工业出版社，1 9 9 9 。 3 0 】j a 达菲等著，葛新石等译，太阳能热能转换过程，科学出版社，1 9 8 0 。 第二章高密度辐熙计结构模型及其工作机理研究 第二章高密度辐照计的结构及其工作机理 辐照计利用吸收腔将辐照转化成热能，热能在测量桥上传递，使测量桥的温 度场发生改变，正是这种变化，使辐照计能够区分不同密度值的投射辐射。本章 通过对这些物理过程的分析，阐述了相应的工作机理。 2 1 辐照计的结构 辐照计结构如图2 i 所示，它由测量桥、水套、后盖、热电偶、水管等组成， 核心部件是测量桥。测量桥是一个圆柱体结构，材料为紫铜，在其前端有锥形吸 收腔。在测量桥外侧面上布有热电偶，测量桥后部与柱形冷却水套相连接。在测 量桥周向配有一个由紫铜制成的柱形中空冷却水套，水套内通冷却水。在辐照计 外水套的前端面覆盖铝箔，以反射辐照。 ( a ) 剖面图 图2 - 1 辐照计结构模型图 ( b ) 立体图 聚焦器将高密度辐照投射进辐照计吸收腔内，在吸收腔的内表面上，部分 辐照被腔体内表面直接吸收，另一部分则被反射，反射后的辐照继续投射，又有 一部分被内表面吸收和反射，如此反复。被吸收的辐照转化为热能在测量桥上传 1 2 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 赵晓 递，此时安装在测量桥上的热电偶记录测量桥上特定位置处的温度变化并输出温 差信号。将测量桥温度场的分析计算结果与热电偶的输出信号进行比照，可确定 要测量的辐照密度值，具体过程如图2 2 所示。 图2 - 2 测量流程图 2 2 辐照计吸收腔的物理模型及工作机理研究 吸收腔是辐照计吸收辐照，并将辐照转换成热能的结构，吸收腔转换系数是 表征吸收腔将辐照转换成热能的主要参数，吸收腔转换能力的高低与吸收腔内表 面涂层的物理特性密切相关。作为一种在高温环境下工作的测量仪器，辐照计对 吸收涂层的要求是比较高的，具体而言就是要求涂层能耐高温、在温度剧烈变化 时性能稳定、附着牢固。另外，要使用辐射性质稳定的吸收涂层，这样便于定量 分析待测辐照转化成热能的量。 2 2 1 吸收腔模型 假设吸收腔涂层的吸收率为k ，锥形腔半角为0 ，底圆直径d ，辐照投射角 为甲。对吸收腔的辐射吸收情况的研究，目的是了解吸收腔吸收辐射的情况，确 定投射辐射与热能之间的转换系数。为此，建立图2 3 所示的计算模型。 第二章高密度辐照计结构模型及其工作机理研究 吸收 k 的 图2 - 3 吸收腔计算模型示意图 设投射角为甲，吸收腔半顶角为0 ，投射辐射的辐照密度为p 。追踪投射辐 射在吸收面上的反射过程，可计算出吸收投射辐射的情况。文献【2 】提供了一种 适用于锥形腔的算法，为使用光线追踪法，需作以下假设： 1 投射辐射是均匀的。 2 微分后的吸收面为平面。 定义投射辐射的转换系数为 k t r , a v = e e i 。 ( 2 1 ) 其中矗为吸收腔转化的热能，最。为投射辐射能。 利用图2 ，3 所示的坐标系，假设投射辐射的方程为 f 糟h o ，v = l s + y o ，z = m s + 9 0 ( 2 2 ) 式中r 、z 、m 为投射辐射的单位方向向量；j 为参变量；点( x o ，y o ，z o ) 为投射辐 射方程的已知点。 吸收腔的几何方程为 a n 2 0 + y 2 t a a 2 0 - ( z + 詈叫2 = 。( 2 - 3 ) 式中d 为吸收腔投射窗( 即开口) 直径；0 为吸收腔半顶角。 将式2 - 2 代入式2 3 得： a s 2 + 缸+ c = 0 ( 2 4 ) 其中 d ：，2 t a n 2 口+ 1 2 t a n 2 口一m 2 1 4 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 赵晓 嘲嘞，t a n go + 2 朋z 协20 - 2 m ( 劲+ 詈伽口) c = 右t a n 2 占+ 靠扭n 2 口一( 勺+ 罢t a n 口) 2 式2 - 4 的解为 - b + 店i =一b - 拓i = 而。万一屯2 五一 投射辐射与吸收腔的交点o l ，y l ，2 1 ) 满足：x l = j 西+ x o ，y l 如t ，z l = 巩什z o 。可 以看出有两个点满足方程，这里需要判断它们是否在吸收腔内，判断条件为z l 4 0 0 时，。开始下降。这是因为投射角小于4 0 0 时，吸收腔内反射情况相对稳定。 每束辐射在吸收腔内的反射都在5 次以上，吸收较为充分，所以在这个范围内投 射角的变化对吸收腔总体吸收影响不大。当投射角超过4 0 0 后，投射辐射在吸收 腔内反射次数会减少，使吸收腔吸收量下降，从而造成转换系数的下降，而且这 个变化是随着投射角的增大而一直降低。从这个结果可以看出，在实际测量中， 如果投射角在0 到4 0 0 范围内，就可以把转换系数作为一个常数来考虑，此时只 需要考虑投射角变化对测量结果的影响，而在超过4 妒以后，就不能再把转换系 第三章数值模拟计算及参数研究 数作为常量，需要同时考虑转换系数和投射角的影响。 3 2 2 测量桥温度响应特征 假定测量桥是用紫铜制作的，吸收腔半顶角o = 2 0 0 ，吸收腔内表面吸收率为 k = - 0 7 ，辐照投射角甲为0 。，吸收腔投射窗直径d = 2 5 m m ，测量桥长度为1 0 m m ， 冷却壁直径d = 1 5 r n m ，热物性参数取自文献 2 】，冷却水的温度t l = 2 5 0 c ，环境温 度t o = 2 0 0 c 。 图3 - 7 abc - d 中给出的是在不同量级的辐照密度下测量桥上等距划分、从吸 收腔顶部到冷却壁依次排列的1 1 个点在不同量级辐照下的温度变化情况，从结 果可以看出，对于辐照密度1 0 k w m 2 - 1 5 m w m 2 范围内的投射辐射，在开始阶段， 测量桥上各点温度都迅速上升，约1 4 4 2 s 后，各点温度开始趋于稳定。利用温 度场的这个特性，通过分析不同辐照条件下测量桥上的温度分布，就可以推算出 相应的外部辐照值。我们设定，在较长的时间段( 数秒) 内边界点温度的变化小 于1 0 。k 时，就认为该点达到稳定温度，达到这个温度的时间即为测量桥达到稳 定状态的时间。表3 3 是在不同辐照条件下测量桥达到稳定状态所需的时间，可 以看出，辐照密度越大，所需平衡时间越长，但均在5 s 以内。 兽 赵 赠 o i234s 时间，t ( s ) ( a ) 投射辐射密度p = 1 0 k w m 2 一 ! 旦型兰垫查查兰堡主兰垡堡奎! ! ! ! ! ! 型堕 一引 ( b ) 投射辐射密度p = - 1 0 0 k w m 2 8 0 0 7 0 0 蟹o o o 剁5 0 0 赠 4 0 0 3 0 0 ( c ) 投射辐射密度p = t m w m 2 时间j ( s ) ( d ) 投射辐射密度p = 1 5 m w m 2 图3 7 测量桥等分点在不同辐照时的温度变化情况 3 5 第三章数值模拟计算及参数研究 表3 - 3 不同辐照密度时，测量桥达到稳定状态所需的时间 对于铜制辐照计来说，温度超过7 6 0 k 时，铜开始氧化，会导致吸收腔物性 发生明显变化，因而已不能够进行准确测量。由图3 7 d 中的结果可以看出，当 辐照密度达到1 5 m w m 2 时，吸收腔开口温度已接近7 5 0 k ，由此可以确定铜制辐 照计的测量上限是1 5 m w m z 。 3 2 3 辐照密度对输出温差的影响及量程的确定 假定两个热电偶分别布置在测量桥上距前端面3 6 m m 和9 0 r a m 处。图 3 8 哜b - c 是不同辐照密度条件下的温差输出情况。 霪 q 躺 赠 o1 2345 时间，t ( s 1 ( a ) 辐照为1 0 - 9 0 k w m 2 他仰瞄：宝雌 里型兰垫查查兰堡主兰篁丝苎! ! ! ! ! ! 整堕 2 哥 司 刹 赠 时间，“s ) ( b ) 辐照为1 0 0 5 0 0 k w m 2 时间。l ( s ) ( c ) 辐照为1 - 1 5 m w m 2 时温差输出( 刨8 s ) 1 e o 1 4 0 0 0 p1 2 0 0 0 e 1 0 0 0 0 8 0 0 0 蜊 糨6 0 0 0 蹿4 0 0 0 温差，孔k ) ( d ) 辐照密度与输出温差的拟合曲线“= 4 8 s ) 图3 - 8 辐照密度与测量桥输出温差之间的关系 3 7 毫m伽伽伽伽伽柏卸。 口司荆赠 第三章数值模拟计算及参数研究 从图3 - 8 a b c 的结果来看，辐照密度值在1 0 k w m 2 到1 5 m w m 2 的范围内时， 大约4 5 s 后温差输出稳定下来，图3 8 一d 是4 8 s 时，辐照密度值与温差对应关系， 可以看n - - 者是成正比的，利用这个特点，我们可将1 0 k w m 2 到1 5 m w m 2 范围 内的辐照值和相对应的温差值计算列表，而不必进行逐个测量。 通过计算可知，在平衡状态时，1 0 k w m 2 的辐照密度所对应的输出温差值为 o 1 3 k ，而常用二级仪器所能识别的最低温差为1 0 也k i 3 1 ，在此基础上，我们扩大 一个数量级，并将此作为辐照计的温差输出下限，便辐照计与二级仪器的精度等 级衔接起来，由此就可确定辐照计的测量下限为1 0 k w m 2 。同时，利用二级仪器 1 0 。k 这个最低识别温差，可以算出辐照计的最高分辨率为8 0 0w m 2 。 3 2 4 测量桥长度与材料的影响 在同样的辐照条件下，两个热电偶的间距越大，输出的温差就越大，测量桥 的分辨率也可相应提高。但是，热电偶间距受测量桥长度限制。在讨论测量桥长 度的影响时，假设吸收腔尺寸不变，左边热电偶到吸收腔开口边的距离为3 6 m m ， 右边热电偶到冷却壁的距离为l m m ，这样测量桥长度变化仅是改变了测量桥柱 体段的长度。 图3 - 9 一a 是不同长度的测量桥在辐照为1 5 m w m 2 时，吸收腔开口处温度的 变化情况。可以看到，随着测量桥长度的增加，吸收腔开口处达到平衡状态的响 应时间会延长，且对应的温度也随之提高。图3 - 9 b 是辐照为1 0 k w m 2 时的温差 输出，可以看到，随着测量桥长度的增大，热电偶间距也会增大，从而使输出温 差也增大。这样辐照计就能测量更低的辐照，同时输出温差的增大可以提高测量 桥的分辨率。表3 - 4 和表3 5 分别给出了几种长度的测量桥在辐照为1 5 m w m z 和1 0 k w m 2 时所对应的响应时问、吸收腔开口处的温度以及对应的输出温差。 表4 给出了不同长度的铜制测量桥的测量性能指标。 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 赵晓 z i 憾 赠 文 散 型 娶 昏 一圜 024 68 时闻，瞄 ( a ) 吸收腔开口温度的变化( p = 1 5 m w m 2 ) ；i 。02 2 4 2 一o2 0 戮 豁1 。2 i ： 时间瓤砷 ( b ) 测量桥温差输出情( p = l o k w m 2 ) 图3 - 9 测量桥长度的影响 表3 - 4 辐照为1 5 m w m 2 时，不同长度测量桥达到稳定状态时的参数 长度 6 m m 8 r a m1 0 r a m1 3 r n m1 6 r a m 响应时间( s ) 边界点温度( k ) 1 3 6 5 5 7 8 6 2 5 3 6 4 1 4 5 4 1 2 7 2 7 6 1 7 2 3 8 6 1 3 8 1 1 2 6 9 9 9 8 2 输出温差( k ) 5 4 7 41 3 5 0 72 1 7 8 83 4 6 5 24 7 9 8 8 表3 - 5 辐照为1 0 k w m 2 时，不同长度测量桥达到稳定状态时的参数 长度6 m m8 r a m 1 0 r a m13 r a m1 6 r a m 响应时间( s ) 边界点温度( k ) 0 5 4 2 9 8 1 6 o 9 6 2 9 8 2 l 1 4 7 2 9 8 2 6 2 3 6 2 9 8 3 4 3 4 5 2 9 8 4 l 输出温差( k ) o 0 3 o 0 8o 1 3o 2 00 2 7 裟器量量裟器器鬈粥姗 第三章数值模拟计算及参数研究 结果表明，测量桥的长度直接影响测量桥的主要测量指标，增加长度可以提 高测量桥的分辨率，但却会降低辐照计的测量上限。丽且也延长了辐照计的响应 时间，较小的测量桥长度可以提高测量上限，但却不能获得较高的分辨率，测量 下限值也不理想。为此，我们在不同的测量场合，可以根据测量的需要选择不 同长度合适的辐照计，使之能有合理的量程和分辨率。 在讨论测量桥材料的影响时，假设辐照计的吸收腔尺寸不变，长度为l o m m ， 热电偶安装位置不变。改变的只是制造辐照计的材料。图3 1 0 a 是使用不同材料 的测量桥，在辐照为1 5 m w m 2 时，其吸收腔开i z l 处温度的变化情况。可以看出， 在此辐照条件下，不锈钢和氧化铝