концентрирующее устройство
Классы МПК: | F24J2/18 с пространственно разделенными, с противоположно лежащими взаимодействующими отражательными поверхностями |
Автор(ы): | Шолохов А.В., Никитский В.П., Царик С.В. |
Патентообладатель(и): | Головное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Энергия" им.акад.С.П.Королева |
Приоритеты: |
подача заявки:
1991-07-29 публикация патента:
20.01.1995 |
Использование: в гелиотехнике. Сущность изобретения: концентрирующее устройство содержит концентратор в виде концентрически расположенных усеченных конусов, обращенных большими основаниями в сторону падающего лучистого потока, и приемник энергии, расположенный в фокусе со стороны меньших оснований конусов, причем обе поверхности конусов, кроме внешней периферийного конуса, выполнены зеркальными. Дано теоретическое обоснование выбора параметров устройства. Устройство существенно повышает степень концентрации лучистой энергии, одновременно уменьшая потери энергии. 8 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8
Формула изобретения
КОНЦЕНТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее концентратор в виде концентрически расположенных усеченных конусов, обращенных большими основаниями в сторону падающего лучистого потока, и приемник энергии, расположенный в фокусе со стороны меньших оснований конусов, причем обе поверхности конусов, кроме внешней периферийного конуса, выполнены зеркальными, отличающееся тем, что при использовании первичного концентратора, установленного по оси усеченных конусов, параметры внутренних конусов определяются из следующих соотношений:![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-46t.gif)
где n - требуемое количество внутренних конусов;
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027034/945.gif)
D - диаметр отражающей поверхности первичного концентратора;
L - расстояние от первичного концентратора до конуса,
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-47t.gif)
где di = 1, 2, ... n - номер внутреннего конуса;
di - диаметр большего основания i-го конуса;
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027054/948.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-48t.gif)
где
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-49t.gif)
h - глубина сечения двух смежных конусов;
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-50t.gif)
где Li - расстояние между основаниями i-го конуса,
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-51t.gif)
где hi - расстояние от плоскости меньшего основания i-го конуса до плоскости приемника энергии;
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-52t.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к устройствам концентрации лучистой энергии и может быть использовано как в наземных условиях, так и на космических объектах. Известно концентрирующее устройство (КУ), выполненное в виде усеченного конуса и приемника энергии [1]. Известно также КУ, содержащее концентратор в виде концентрически расположенных усеченных конусов, обращенных большими основаниями в сторону падающего лучистого потока, и приемник энергии, расположенный в фокусе со стороны меньших оснований конусов. Причем обе поверхности конусов, кроме внешней периферийного конуса, выполнены зеркальными [2]. При работе устройства концентратор ориентируется на излучение. Сконцентрированное излучение попадает в приемник энергии. Недостатком прототипа является отсутствие теоретического обоснования выбора его параметров. На фиг. 1 представлен общий вид КУ; на фиг.2 - общий вид концентратора КУ и приемника энергии; на фиг.3 - полученная прямым расчетом зависимость между относительной (h/l) глубиной и углом (![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027034/945.gif)
D - диаметр отражающей поверхности концентратора 1;
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027054/948.gif)
L - расстояние от первичного концентратора 1 до фокуса КУ. Из описания предлагаемого устройства следует, что стенки конусов 4, с одной стороны, не являются несущими, а с другой - налицо необходимость сведения к минимуму потерь энергии на рассеяние на торцевых частях конусов 4. В силу указанных причин материалом для изготовления конусов отражателей 4 должен являться материал предельно малой толщины
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027054/948.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027054/948.gif)
n=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027069/936.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027034/945.gif)
Здесь
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027069/936.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027034/945.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027034/945.gif)
обеспечить возможно большую концентрацию потока излучения (величину параметра l/l", фиг. 4) при небольшом числе отражений луча и малой величине отношения h/
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027034/945.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027069/936.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120t.gif)
Подставив (2) в (1), получим:
n =
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-2t.gif)
Определим параметры конуса 5. Имеем, фиг.5,
d =
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-3t.gif)
При этом (см. фиг.5, 7)
l =
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-4t.gif)
При известных l и
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027034/945.gif)
d
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027092/697.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-5t.gif)
Расстояние Lo от плоскости большего основания конуса 5 до плоскости входного отверстия приемника энергии 3 фиг.5, определится как
Lo=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-6t.gif)
Если i = 1,2,...n - номер внутреннего конуса 4, то диаметр diбольшего основания i-го конуса 4 определится (см. фиг.5,6) как
di=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-7t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027069/936.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027069/936.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027069/936.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027014/729.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027014/729.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027034/945.gif)
Диаметр di" меньшего основания i-го конуса 4 определится как (см. фиг. 5,6)
d
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-8t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-9t.gif)
После подстановки выражений (9), (5), (2), в (8), (10), окончательно получим
di=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-10t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027014/183.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-11t.gif)
d
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-12t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-13t.gif)
Расстояние Li между основаниями i-го конуса 4 определится, фиг.5, 6, по формуле
Li=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-14t.gif)
Расстояние hi от плоскости меньшего основания i-го конуса 4 до плоскости приемника энергии, фиг.6, определится как
hi=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-15t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027014/183.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-16t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-17t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-18t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-19t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-20t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-21t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-22t.gif)
(14)
Величина "К" коэффициента мощности КУ определится как
К = К1
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027014/729.gif)
К2 - коэффициент концентрации вторичного концентратора. Определим величину параметра К1 как
К1 = (D/dф.я.)2, (16) где dф.я. - поперечный размер фокального ядра КУ в отсутствие вторичного концентратора. При этом (фиг.5,7)
dф.я.=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-23t.gif)
Определим К2 как
К2 = (dф.я./d")2 (18)
Тогда
K =
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-24t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-25t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-26t.gif)
В качестве примера рассмотрим расчет параметров концентрирующего устройства, намеченного к установке на орбитальной станции "Мир-2". Исходные данные: D = 17 м,
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027054/948.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027034/945.gif)
n =
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-27t.gif)
По формуле (5)
l =
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-28t.gif)
По формуле (2)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027069/936.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-29t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/176.gif)
Тогда по формуле (4)
d =
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-30t.gif)
Из графика фиг.3 при
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027034/945.gif)
h=1,37
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027014/729.gif)
Тогда по формуле (6)
d
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027092/697.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-31t.gif)
По формуле (7)
Lo=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-32t.gif)
По формулам (8), (9)
d1=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-33t.gif)
d2=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-34t.gif)
По формулам (10), (9)
d
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-35t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-36t.gif)
d
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-37t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-38t.gif)
По формуле (13)
L1=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-39t.gif)
L2=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-40t.gif)
По формуле (14)
h1=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-41t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027014/183.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/176.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/176.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/176.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/176.gif)
h2=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-42t.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027014/183.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/176.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027014/183.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/176.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/176.gif)
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/176.gif)
По формуле (17)
dф.я=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-43t.gif)
Тогда по формуле (16)
K1=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-44t.gif)
По формуле (18)
K2=
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027120/2027120-45t.gif)
По формуле (15)
К = 661,4
![концентрирующее устройство, патент № 2027120](/images/patents/446/2027014/729.gif)
На фиг. 8 дано изображение вторичного концентратора КУ с рассчитанными параметрами, М 1:10. Изложенное позволяет утверждать следующее. Использование предлагаемого технического решения позволяет дополнительно к первичной концентрации в 2...4 и более раз увеличить концентрирующую способность устройства концентрации. При этом потери энергии за счет обратного переотражения исключаются. Применительно к устройствам, условием функционирования которых является высокая плотность потока облучения (например, лазер в оптической накачкой) использование предлагаемой конструкции КУ эквивалентно соответствующему (в 2...4 раза и более) увеличению площади первичного концентратора.
Класс F24J2/18 с пространственно разделенными, с противоположно лежащими взаимодействующими отражательными поверхностями