Определение температуры облучаемого микроволнами объекта методом спектральной пирометрии

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.

1. Магунов А. Н. Спектральная пирометрия. Физматлит, Москва (2012).

2. 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).

3. 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/10.30791/0015-3214-2022-5-63-74

4. Лапшинов Б. А. Методы измерения температуры в технологиях сверхвысокочастотного нагрева. Измерительная техника, (6), 20–28 (2021). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-6-20-28

5. Магунов 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/S0544126914010074

6. Лапшинов Б. А., Суворинов А. В., Тимченко Н. И. Определение температуры излучающего объекта методом спектральной пирометрии. Электроника: НТБ, (6), 116–119 (2018). https://doi.org/10.22184/1992-4178.2018.177.6.116.119

7. Cai 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.2021.12.002

8. Li 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.2020.07.061

9. Магунов А. Н. Спектральная пирометрия объектов с неоднородной температурой. Журнал технической физики, 80(7), 78–82 (2010).

10. Бенуэлл К. Основы молекулярной спектроскопии. Пер. с англ. Мир, Москва (1985).

11. Сильверстейн Р., Вебстер Ф., Кимл Д. Спектрометрическая идентификация органических соединений. Пер. с англ. БИНОМ. Лаборатория знаний, Москва (2011).

12. Дейнеко И. П. Химические превращения целлюлозы при пиролизе. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал, (4), 96–112 (2004).

13. 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.2009.08.021

14. Sheehe 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.2019.111185

15. Матвеев 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/10.30791/0015-3214-2023-6-57-74