izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2024-4-54-61izmertech-2156Research ArticleТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯTHERMOPHYSIC MEASUREMENTSОпределение температуры облучаемого микроволнами объекта методом спектральной пирометрииDetermination of the temperature of an object irradiated by microwaves using spectral pyrometryhttps://orcid.org/0000-0002-8369-6837ЛапшиновБ. А.LapshinovB. A.

Лапшинов Борис Алексеевич.

Москва

Boris A. Lapshinov.

Moscow

lbaniipmt@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8666-1170МатвеевЕ. В.MatveevE. V.

Матвеев Егор Владимирович - старший научный сотрудник.

Москва

Egor V. Matveev.

Moscow

maegor@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0006-2309-8452ГайдарА. И.GaidarA. I.

Гайдар Анна Ивановна.

Москва

Anna I. Gaidar.

Moscow

a_i_g@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5158-1963БерестовВ. В.BerestovV. V.

Берестов Валентин Викторович.

Москва

Valentin V. Berestov.

Moscow

vberestov97@gmail.comНаучно-исследовательский институт перспективных материалов и технологийРоссияResearch Institute of Advanced Materials and TechnologyRussian Federation202410062024045461Copyright © Лапшинов Б.А., Матвеев Е.В., Гайдар А.И., Берестов В.В., 20242024Лапшинов Б.А., Матвеев Е.В., Гайдар А.И., Берестов В.В.Lapshinov B.A., Matveev E.V., Gaidar A.I., Berestov V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/2156

Описаны актуальные в настоящее время исследования метода получения активированного угля из отходов биомассы с помощью микроволновой карбонизации. По сравнению с традиционной карбонизацией в термопечах микроволновая карбонизация более энергоэффективный и экологически чистый метод, однако пока не обеспечены требуемые воспроизводимость и температурная стабильность данного процесса. При микроволновом облучении температура образцов биомассы непрерывно изменяется, в них происходят сложные физико-химические процессы. Поэтому для определения оптимальных режимов микроволновой обработки необходимо знать температурную динамику образцов биомассы. Предложено определять температурную динамику образцов биомассы методом спектральной пирометрии. Метод основан на выделении участков спектров теплового излучения образцов, совпадающих с функцией Планка с изменяемой температурой, в которых образцы проявляют свойства серых излучателей. Метод эффективен при неизвестном коэффициенте излучения, непрерывно варьирующемся с изменением микроструктуры, химического состава и фазового состояния образца. Облучаемый микроволнами образец представляет собой навеску обработанного ортофосфорной кислотой хлопкового пуха массой 1 г. Источник микроволн – генератор магнетронного типа с максимальной выходной мощностью 600 Вт и рабочей частотой 2450 МГц. Тепловые спектры облучаемого образца зафиксированы малогабаритными спектрометрами видимого (350–760 нм) и ближнего инфракрасного (650–1050 нм) диапазонов. Время облучения образцов микроволнами изменялось в диапазоне 60–180 с. Для обработки полученных спектров использована программа Spectral Pyrometry, которая считывает и обрабатывает зарегистрированный спектр, строит в координатах Планка или Вина и вычисляет температуру. Анализ полученных результатов выявил различные виды спектров теплового излучения облучаемого образца – спектры, подобные спектрам абсолютно чёрного тела, спектры с различными температурными зонами образца, спектры с атомарными линиями и молекулярными полосами. Результаты работы полезны для изучения микроволнового воздействия на различные объекты, исследования процессов, происходящих при карбонизации биомассы, а также для разработки более эффективных режимов получения активированных углей микроволновым методом.

Recently, due to increasing environmental requirements, microwave carbonization method has been widely investigated for the production of activated carbon from biomass waste. Microwave carbonization is a more energy efficient and environmentally friendly method compared to traditional carbonization in thermal furnaces, but to date there are still a number of questions about the reproducibility and temperature stability of this process. During microwave irradiation, the temperature of biomass samples changes continuously and complex physical and chemical processes occur in them. For deeper study of these processes and determination of optimal modes of microwave treatment it is necessary to know the temperature dynamics of biomass samples. For this purpose, the method of spectral pyrometry based on the allocation of sections of the spectra of thermal radiation of samples coinciding with the Planck spectrum was used. In the specified spectral sections these samples are gray emitters. The method is effective for an unknown emission coefficient, continuously varying with changes in the microstructure, chemical composition and phase state of the sample. The sample irradiated by microwaves was a sample of orthophosphoric acid-treated cotton down weighing 1 g. The microwave source was a magnetron-type generator with a maximum output power of 600 W and an operating frequency of 2450 MHz. Thermal spectra of the irradiated sample were recorded by small-size spectrometers of visible (350–760 nm) and near-infrared (650–1050 nm) ranges. The time of irradiation of samples by microwaves was varied in the range of 60–180 s. To process the obtained spectra, the program “Spectral Pyrometry” was used, which reads the recorded spectrum, processes it, plots it in the necessary coordinates and calculates the temperature. Analysis of the obtained results revealed different types of thermal radiation spectra of the irradiated sample - spectra similar to spectra of a completely black body, spectra with different temperature zones of the sample, spectra with atomic lines and molecular bands. The results obtained are useful for the study of microwave influence on various objects, research of processes occurring during carbonization of biomass, as well as for the development of more effective modes of production of activated carbons by microwave method.

спектральная пирометриятепловое излучениеспектрометрмикроволновая карбонизацияабсолютный спектррентгеноспектральный анализатомарные линиимолекулярные полосыspectral pyrometrythermal radiationspectrometermicrowave carbonizationabsolute spectrumX-ray spectral analysisatomic linesmolecular bandsИсследования проведены в ФГБНУ «Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий» в рамках государственного задания по проекту FNER-2022-0002.The research was carried out at the Research Institute of Advanced Materials and Technology within the framework of the state task for the FNER-2022-0002 project.ReferencesМагунов А. Н. Спектральная пирометрия. Физматлит, Москва (2012).Magunov A. N. Spektral’naja pirometrija [Spectral pyrometry], Fizmatlit Publ., Moscow (2012). (In Russ.)Магунов А. Н., Лапшинов Б. А., Суворинов А. В. Разработка приборов для измерения температуры объектов с неизвестной излучательной способностью. Инновации, 4(198), 13–16 (2015).Magunov A. N., Lapshinov B. A., Suvorinov A. V. Razrabotka priborov dlya izmereniya temperatury ob”ektov s neizvestnoj izluchatel’noj sposobnost’yu [Development of Instruments for Measuring the Temperature of Objects with Unknown Emissivity]. Innovacii, 4(198), 13–16 (2015). (In Russ.)Матвеев Е. В., Гайдар А. И., Лапшинов Б. А. и др. Температурная динамика карбонизации хлопковых волокон микроволновым излучением на воздухе. Физика и химия обработки материалов, (5), 63–74 (2022). https://doi.org/10.30791/0015-3214-2022-5-63-74Matveev E. V., Gaidar A. I., Lapshinov B. A. et al. Temperature dynamics of carbonization of cotton fibers by microwave radiation in air. Fizika i himija obrabotki materialov, (5), 63–74 (2022). (In Russ.) https://doi.org/10.30791/0015-3214-2022-5-63-74Лапшинов Б. А. Методы измерения температуры в технологиях сверхвысокочастотного нагрева. Измерительная техника, (6), 20–28 (2021). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-6-20-28Lapshinov B. A. Temperature measurement methods in microwave heating technologies. Measurement Techniques, 64(6), 453–462 (2021). https://doi.org/10.1007/s11018-021-01954-wМагунов А. Н., Захаров А. О., Лапшинов Б. А. Измерение температуры монокристаллов кремния методом спектральной пирометрии. Микроэлектроника, 43(3), 200–206 (2014). https://doi.org/10.7868/S0544126914010074Magunov A. N., Zakharov A. O., Lapshinov B. A. Measuring temperature of silicon monocrystals using spectral pyrometry. Russian Microelectronics, 43(3), 200–206 (2014). https://doi.org/10.1134/S1063739714010077Лапшинов Б. А., Суворинов А. В., Тимченко Н. И. Определение температуры излучающего объекта методом спектральной пирометрии. Электроника: НТБ, (6), 116–119 (2018). https://doi.org/10.22184/1992-4178.2018.177.6.116.119Lapshinov B. A., Suvorinov A. V., Timchenko N. I. Opredelenie temperatury izluchayushchego ob”ekta metodom spektral’noj pirometrii [Determination of the temperature of a radiating object using spectral pyrometry]. Electronics: STB, (6), 116–119 (2018). (In Russ.) https://doi.org/10.22184/1992-4178.2018.177.6.116.119Cai D. et al. Dynamic characteristics and energy analysis of microwave-induced metal discharge. Journal of the Energy Institute, (100), 277–284 (2022). https://doi.org/10.1016/j.joei.2021.12.002Cai D. et al. Dynamic characteristics and energy analysis of microwave-induced metal discharge. Journal of the Energy Institute, (100), 277–284 (2022). https://doi.org/10.1016/j.joei.2021.12.002Li X. et al. Microwave energy inductive fluidized metal particles discharge behavior and its potential utilization in reaction intensification. Chinese Journal of Chemical Engineering, (33), 256–267 (2021). https://doi.org/10.1016/j.cjche.2020.07.061Li X. et al. Microwave energy inductive fluidized metal particles discharge behavior and its potential utilization in reaction intensification. Chinese Journal of Chemical Engineering, (33), 256–267 (2021). https://doi.org/10.1016/j.cjche.2020.07.061Магунов А. Н. Спектральная пирометрия объектов с неоднородной температурой. Журнал технической физики, 80(7), 78–82 (2010).Magunov A. N. Spectral pyrometry of objects with a nonuniform temperature. Technical Physics, 55(7), 991–995 (2010). https://doi.org/10.1134/S1063784210070121Бенуэлл К. Основы молекулярной спектроскопии. Пер. с англ. Мир, Москва (1985).Banwell C. N. Fundamentals of Molecular Spectroscopy. McGraw-Hill, New York (1994).Сильверстейн Р., Вебстер Ф., Кимл Д. Спектрометрическая идентификация органических соединений. Пер. с англ. БИНОМ. Лаборатория знаний, Москва (2011).Silverstein R. M., Webster F. X., Kiemle D. J. Spectrometric Identification of Organic Compounds, 8th Edition, John Wiley and Sons, Hoboken, NJ (2015).Дейнеко И. П. Химические превращения целлюлозы при пиролизе. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал, (4), 96–112 (2004).Dejneko I. P. Himicheskie prevrashcheniya tsellyulozy pri pirolize [Chemical transformations of cellulose under pyrolysis]. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Lesnoj zhurnal, (4), 96–112 (2004). (In Russ.)Menéndez J. A. et al. Microwave heating processes involving carbon materials. Fuel Processing Technology, 91(1), 1–8 (2010). https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2009.08.021Menéndez J. A. et al. Microwave heating processes involving carbon materials. Fuel Processing Technology, 91(1), 1–8 (2010). https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2009.08.021Sheehe S. L., Jackson S. I. Identification of species from visible and near-infrared spectral emission of a nitromethane-air diffusion flame. Journal of Molecular Spectroscopy, 364, 111185 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jms.2019.111185Sheehe S. L., Jackson S. I. Identification of species from visible and near-infrared spectral emission of a nitromethane-air diffusion flame. Journal of Molecular Spectroscopy, 364, 111185 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jms.2019.111185Матвеев Е. В., Гайдар А. И., Лапшинов Б. А., Берестов В. В. Вторичные микро- и наноструктуры на поверхности СВЧ карбонизированных хлопковых волокон. Физика и химия обработки материалов, (6), 57–74 (2023). https://doi.org/10.30791/0015-3214-2023-6-57-74Matveev E. V., Gaidar A. I., Lapshinov B. A., Berestov V. V. Secondary microand nanostructures on the surface of microwave carbonized cotton fibers. Fizika i himija obrabotki materialov, (6), 57–74 (2023). (In Russ.) https://doi.org/10.30791/0015-3214-2023-6-57-74

The authors declare that there are no conflicts of interest present.