بخشی از مقاله
چکیده: اتصالات آب بند شیشه-فلز کاربرد گسترده ای در صنایع شیمیایی و مهندسی الکترونیک دارد و یکی از کاربرد های مهم و جدید این اتصالات در تولید انرژی های نو در ساخت دریافت کننده های حرارتی - جاذب حرارتی - می باشد. یکی از حساس ترین بخش های یک نیروگاه حرارتی خورشیدی جاذب حرارتی می باشد. بنابراین تلاش در جهت کاهش مشکلات در این بخش ضروری به نظر می رسد. در این مقاله بررسی علمی جهت دستیابی به دانش فنی مرتبط با اتصال شیشه بوروسیلیکاتی با آلیاژ کوار صورت پذیرفته و روش نوین اتصال مناسب با حداقل تنش های پسماند بدست آمده است.
با استفاده از گرمایش القایی اتصال دو نوع شیشه بورو سیلیکاتی مختلف که ضریب انبساط متفاوتی دارند 3/3 - و - 7 به فلز کوار انجام شده است. همچنین تغییراتی نیز از لحاظ شکل هندسی در نمونه ها ایجاد تا بتوان به اتصال سالم با حداقل تنش پسماند بوجود آورد. مشاهده می گردد با افزایش ضخامت حلقه فلزی تنش پسماند بشدت افزایش یافته و ایجاد ترک و نتیجتاً شکست اتصال رخ می دهد. بیشترین مقدار تنش پسماند خطرناک درست کمی بالاتر از محل اتصال بوجود می آید در صورت بکارگیری ابعاد بهینه اتصال سالم بدست خواهد آمد.
.1 مقدمه
یکی از کاربرد های مهم و جدید اتصالات آب بند شیشه / فلز در تولید انرژی های نو در ساخت دریافت کننده های حرارتی می باشد. در نیروگاه های خورشیدی از نوع متمرکزکننده ی حرارتی که از انرژی خورشید برای بکار انداختن نیروگاه حرارتی الکتریسیته استفاده می شود. در نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع سهموی خطی، از منعکس کنندههایی که به صورت سهموی خطی میباشند جهت تمرکز پرتوهای خورشید در خط کانونی آنها استفاده می شود و گیرنده به صورت لولهای در خط کانونی منعکس کنندهها قرار دارد - شکل - . در داخل این لوله که از جنس فولاد ضد زنگ می باشد روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید گرم و داغ می گردد.
روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب به شکل بخار به مدارهای مرسوم در نیروگاههای حرارتی انتقال داده میشود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد. برای بهرهگیری بیشتر و افزایش بازدهی دریافت کننده، سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب جذب بالایی دارد پوشش میدهند و همچنین در محیط اطراف آن لوله شیشهای به صورت لفاف پوشیده میشود تا از تلفات گرمایی جلوگیری گردد و نیز از لوله دریافت کننده محافظت بعمل آید.
ضمناً بین این دو لوله خلاء ایجاد می شود تا پرتوهای تابشی خورشید در تمام طول روز به صورت مستقیم به لوله دریافت کننده برسد. هندسی اتصال - نمایش داده شده است. به دلیل پیچیدگی های هندسی اتصال، جهت بدست آوردن مقدار بهینه پارامترهای موثر در اتصال ابتدا اتصال بر روی سطوح تخت انجام گرفته و پس از بدست آوردن مقدار بهینه پارامترها، اتصال بر روی شکل اصلی قطعات انجام می گیرد.
شکل:1 نمایی از نیروگاه خورشیدی از نوع سهموی خطی
یکی از مهمترین گلوگاه های تکنولوژیکی عبارتست از ساخت لوله ی دریافت کننده - جاذب یا رسیور - که در موقعیت خط کانونی متمرکز کننده ی آینه ای سهموی شکل قرار می گیرد و نور تمرکز یافته ی خورشید موجب گرم شدن سیال روغنی جاری در درون لوله فولادی ضد زنگ که در مرکز این لوله قرار گرفته است می گردد. روغن گرم شده به مبدل گرمایی انتقال مییابد تا انرژی گرمایی آن نهایتا به الکتریسیته تبدیل گردد. رسیور مورد نظر شامل لوله ای از جنس فولاد زنگ نزن بوده که در غلافی از شیشه ی پیرکس قرار گرفته است. شیشه بهترین ماده برای تهیه ی این قطعات است زیرا نه تنها استحکام مکانیکی دارد بلکه پیوند غیر قابل نفوذی با فلز می تواند ایجاد کند.
شیشه نسبت به گازها نفوذ ناپذیر است و عایق الکتریکی مناسبی نیز می باشد. علاوه بر این ها دیرگداز بوده و تهیه ی آن اقتصادی است. در این پژوهش تلاش بر این است که کارآیی یکی از بخش های حساس رسیور که تاثیر چشمگیری بر راندمان کل مجموعه خواهد داشت بهبود یابد. این بخش حساس اتصال بین رابط های از جنس آلیاژ کوار با لوله ی شیشه ای بورو سیلیکاتی می باشد که ساخت آن براساس معیارهای صنعت ذیربط موردنظر می باشد. شرایط حاد از نظر شیب حرارتی، حفظ خلا پایدار، استحکام بالا، مقاومت محیطی، و قابلیت تحمل تنشهای انبساطی از ویژگیهای مهم اتصال موردنظر میباشد.
جهت دستیابی به یک اتصال خوب، دانستن توانایی ترکنندگی هر یک از مواد نسبت به دیگری بسیار مهم می باشد. خاصیت تر شوندگی شیشه توسط فلز، مشابه قاعده ترشوندگی بین یک قطره مایع بر روی یک سطح جامد افقی می باشد. ترشوندگی یک جامد توسط یک مایع با توجه به شرایط زاویه تماسی که مایع بر روی جامد ایجاد می کند توصیف می شود که بسته به نوع سطح جامد و مایع و انرژی سطحی فازهای در تماس، قطره مایع ممکن است اشکال مختلفی را به خود بگیرد.[1]
.2 تئوری و پیشینه تحقیق
در مطالعه رفتار تر کردن شیشه - فلز، دماهای بالا اعمال می شود تا شیشه در فاز مذاب باشد. تر کردن وقتی اتفاق می افتد که انرژی سطحی جامد به خاطر تماس با مایع کاهش پیدا کند. وقتی که پیوند واندروالس یا پیوند شیمیایی در فصل مشترک بتواند به وجود آید شیشه می توا ند فلز را تر کند. به هر ترتیب عمل تر کردن به واسطه تشکیل پیوندهای شیمیایی محکم در فصل مشترک که باعث زاویه تماس کوچک تر می شود مطلوب است.[2] زاویه ی تماس کوچک میان شیشه / فلز بیان کننده ی کشش سطحی کم می باشد. در واقع اگر اتصال شیشه / فلز از دیدگاه انرژی های سطحی بررسی شود، نتیجه آن است که هرچقدر انرژی سطحی کوچکتر باشد ترکنندگی بهتر خواهد بود.[3]
فاکتور فیزیکی دیگری که در این بحث اهمیت دارد، ماهیت سطوحی است که باید به یکدیگر پیوند بخورند. اتصال بین فازهای غیر هم جنس باعث اندرکنش اتمها، یونها و مولکولها ی فازهای جدا از هم در فصل مشترک و سطوح نزدیک به فصل مشترک می شود. این واکنشها از اختلاف بین اتمهای سطح و آنهایی که در عمق هستند ناشی می شود و باعث ایجاد یک نیروی جاذبه بین سطوح در تماس می شود. اتمها در عمق جامد یا مایع مختصاتی متقارن دارند در حالیکه اتمهای سطح، مختصات متقارن ندارند. بنابراین اتمهای سطح در مقایسه با اتمهای داخل یک انرژی اضافی دارند. این اختلاف به صورت انرژی سطحی ظاهر می شود. انرژی سطحی زیاد فلزات 1/84 J/m2 - برای آهن - یک نیروی محرکه قوی برای تغییر شکل است که فصل مشترک را کاهش می دهد و انرژی سطحی را پایین می آورد.
سطوح فلزسریعا گازها را جذب می کند. بعضی از گازها مثل اکسیژن به صورت شیمیایی واکنش می کنند تا اکسیدها را تشکیل دهند. به خاطر طبیعت الکتروپوزیتیو قوی ای که اتمهای فلز دارند حتی در فشارهای پایین و دماهای بالا تک لایه های اکسیژن یا اکسید روی سطح فلز تمیز می نشیند. ماهیت سطح در این راستا نقش مهمی را بازی می کند. یک سطح دارای بی نظمی زیاد می تواند یک عامل مکانیکی برای چسبندگی باشد. زبری سطح می تواند توسط عمل سند بلاست یا اچ شیمیایی فلز پایه بیشتر شود.
بعد از سند بلاست، سطح فلز علاوه بر زبری که عامل اتصال مکانیکی است تمیزی لازم را برای فعال شدن و ترکیب با اکسیژن پیدا می کند - اتصال شیمیائی - .[4] از آنجایی که ایجاد لایه ی اکسیدی بر روی سطح آلیاژ کوار مهمترین مرحله برای حصول یک اتصال با کیفیت و استحکام مناسب می باشد لذا توجه به این مطلب که اکسیداسیون آلیاژ تحت چه شرایطی اعم از فشارجزئی اکسیژن، دما، اتمسفر و زمان انجام شود از اهمیت زیادی برخوردار است. اتمسفرهای متنوعی از سوی محققین به منظور انجام اکسیداسیون پیشنهاد شده است که اکسیداسیون در هرکدام از این اتمسفرها موجب ایجاد لایه ی اکسیدی با ترکیب شیمیایی مختلف می شود. ترکیب شیمیایی لایه ی اکسیدی تاثیر مستقیم بر روی شرایط و کیفیت اتصال دارد.[5]
به منظور بهبود ترشوندگی بین شیشه و آلیاژ کوار، ضروری است که آلیاژ کوار تحت عملیات پیش اکسیداسیون قرار بگیرد. نقش پیش اکسیداسیون ایجاد لایه های معین از اکسیدهای فلز بر روی سطح آلیاژ می باشد که در نهایت فرآیند ایجاد اتصال بین شیشه و آلیاژ، برقراری پیوند بین اکسید روی سطح آلیاژ و شیشه می باشد.[6] چسبندگی و اتصال قوی میان شیشه و فلز نیازمند انتقال پیوسته و تدریجی از ساختار فلزی فلز، به ساختار یونی و کوالانسی شیشه می باشد.[7] نوع لایه اکسید ایجاد شده برای اتصال شیشه / فلز بسیار مهم است. تجربه نشان داده است که وقتی که سطح آلیاژ توسط Fe2O3 پوشیده شود، یون های فلزی نمی توانند به خوبی با یون های اکسیژن موجود در شیشه تماس برقرار کنند. همچنین به دلیل سستی ساختار اکسید Fe2O3 و ماهیت پوسته پوسته شدن آن، ترجیحا اکسید آهن مطلوب باید به جای Fe2O3 ، FeO یا Fe3O4 باشد.[8]
.2-1 فرآیند گرمادهی القایی
اصول گرمادهی القایی در کاربردهای صنعتی و تولیدی ابتدا در دهه ی1930 هنگامی که کوره های اولیه ی کانالی شکل برای کاربردهای ذوب فلزات معرفی شدند مورد بررسی قرار گرفت. مدت کوتاهی بعد از آن کوره های القایی بدون هسته به منظور انجام عملیات ذوب گسترش پیدا کردند. در دهه ی 1940 این تکنولوژی برای سخت کردن قطعات موتور مورد استفاده قرار گرفت. گرمادهی القایی2 فرآیند گرم کردن الکتریکی مواد هادی - به طور معمول فلزات - بوسیله ی القای الکترومغناطیس می باشد به طوری که جریان های گردابی3 که اغلب به نام جریان های فوکو4 معروف هستند در فلز ایجاد شده که تقابل آنها با مقاومت فلز باعث ایجاد گرما در آن می شود.
پلاستیک ها و سایر مواد غیر رسانا را می توان به طور غیرمستقیم بوسیله ی گرم کردن القایی مواد رسانا و انتقال این گرما از ماده ی رسانا به ماده ی غیررسانا حرارت دهی کرد .[9] فرکانس AC مورد استفاده، وابسته به اندازه ی قطعه کار، نوع ماده، عمقی که باید در آن نفوذ صورت گیرد و هماهنگی بین کویل و قطعه کار که باید گرم شود می باشد.[10] کارآیی سیستم گرمادهی القایی برای هرکاربرد ویژه وابسته به چندین متغیر می باشد که عبارتند از:
- 1ویژگی ها و خصوصیات قطعه
- 2طراحی کویل القایی
- 3ظرفیت و قابلیت های منبع تغذیه
- 4درجه تغییرات دمایی برای هر کاربرد خاص. علت استفاده ی روز افزون از این سیستم گرمادهی در صنایع مختلف، قابلیت کنترل بالا و دقیق بودن می باشد.
