مکانیزم انتقال حرارت فیوژن فیبر نوری

مکانیزم انتقال حرارت فیوژن فیبر نوری،‌ در ابتدایی ترین سطح تعریف، فیوژن فیبر نوری یک فرآیند مکانیکی است که در آن دو تار فیبر نوری به یکدیگر جوش داده می شوند تا یک اتصال فیبر نوری را تشکیل دهند. این جوشکاری با حرارت دادن نوک های تار های فیبر تا رسیدن به دمایی که در آن ذوب شده و به هم می پیوندند، انجام می شود. نیروهای مکانیکی، انتقال حرارت و انتقال جرم، همگی جهت شکل دادن به فرآیند اتصال همجوشی (اتصال فیوژن) با هم تعامل دارند. تجزیه و تحلیل مهندسی این پدیده ها می تواند بینش های ارزشمندی در مورد استراتژی های ساخت و ایجاد اتصالات فیوژن با افت پایین و استحکام بالا ارائه دهد.
در این مقاله، ما جنبه‌های مکانیکی فیوژن فیبر نوری که با انتقال حرارت از طریق قوس الکتریکی آغاز می‌شود را تجزیه و تحلیل خواهیم نمود.

مکانیزم انتقال حرارت فیوژن فیبر نوری

فهرست مطالب:

1. مکانیزم انتقال حرارت فیوژن
   1. انتقال در طول اتصال
   2. گرمایش تخلیه قوس
   3. جریان دما

انتقال حرارت در طول اتصال فیوژن

هر سه مکانیزم اساس انتقال حرارت شامل تابش، همرفت و انتقال جریان نقش مهمی در فرآیند اتصال فیوژن فیبر نوری دارا می باشند. بررسی دقیق تئوری انتقال حرارت فراتر از محدوده مقاله ما می باشد. در این بخش، ما یک تحلیل اساسی از انتقال حرارت در طول فرآیند اتصال فیوژن ارائه می نماییم. اتصال فیوژن نیازمند حرارت دهی نوک تارهای فیبر نوری به دمای کافی جهت جوش دادن یا ذوب آنها به یکدیگر است که برای تار های فیبر نوری سیلیس حدود 2000 درجه سانتی گراد است. انواع دیگر تار های فیبر نوری شیشه ای مانند بوروسیلیکات borosilicate، فلوراید fluoride، فسفات phosphate و یا کالکوژنید chalcogenide به دمای پایین تری نیاز دارند. طبیعتا منبع گرما بایستی در دمای بالاتری نسبت به فیبر نوری باشد تا نیروی محرکه ای جهت انتقال گرما فراهم شود. در نهایت، گرمای تولید شده در طول فیوژن فیبر نوری به محیط اطراف پراکنده می شود، اگرچه این بار حرارتی پیامد کمتری دارد چراکه یک اتصال فیوژن معمولی به حدود 10 وات انرژی برای مدت زمان حدود پنج ثانیه نیاز دارد یا حدود 50 ژول.

علیرغم این واقعیت که انتقال حرارت به وضوح یک مسئله اصلی در اتصال فیبر نوری است، به طور شگفت انگیزی تحلیل های منتشر شده ناچیزی در مورد این مبحث وجود دارد. انتقال حرارت در طول اتصال فیبر نوری ذاتا پیچیده است چراکه اتصال فیوژن یک فرآیند ناپایدار یا وابسته به زمان است. علاوه بر این، انتقال حرارت در حین اتصال ذوبی یک فرآیند غیر خطی است چراکه خواص مواد و در نتیجه شار حرارتی به دمای شیشه بستگی دارد. بدست آوردن تمام فیزیک مربوطه با مدل‌های تحلیلی دشوار است و بنابراین توصیف دقیق انتقال حرارت در حین اتصال فیوژن به تکنیک‌های مدل‌سازی عددی نیاز دارد. مدل‌سازی عددی فیبرهای نوری که به روشی مشابه با اتصال فیوژن حرارت دیده اند، نسبت به داده‌های تجربی مطلوب است. در این بخش از چنین تکنیک‌های مدل‌سازی عددی اجتناب می نماییم تا توصیفی کیفی‌تر و نه کمی از انتقال حرارت در حین اتصال همجوشی ارائه نماییم.

منبع حرارت مورد استفاده جهت اتصال فیوژن ممکن است یک قوس الکتریکی، یک رشته فلزی با مقاومت حرارتی مناسب، یک شعله شیمیایی و یا یک لیزر باشد. تقریبا تمام اسپلایسر های فیوژن تجاری از یک منبع حرارت قوس الکتریکی بهره می برند که با گرمایش تار نوری تعادل بیشتر را ایجاد می نماید. لیزر و منابع حرارتی شعله ای بیشتر مورد توجه در گذشته بوده اند، با این حال مواردی وجود دارد که در آن لیزر و یا شعله ممکن است برای اتصال همجوشی آزمایشگاهی مفید باشند. شعله های شیمیایی معمولا از اکسیژن و هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می نمایند. لیزر CO2 یک لیزر مناسب جهت به کارگیری به عنوان منبع گرما است چراکه تابش 10.6 میکرومتر آن به شدت توسط سیلیس جذب می شود. بر خلاف انواع دیگر منابع گرمایی که فیبر را از طریق ترکیبی از همرفت و تابش گرم می نمایند، لیزر فیبر را منحصرا از طریق تشعشع گرم می نماید. تفاوت دیگر بین لیزر و سایر منابع گرما این است که لیزر می تواند گرما را در ناحیه کوچکی در نوک تار فیبر محدود نماید در حالی که سایر منابع گرما تمایل دارند محدوده طولانی تری از تار فیبر را گرم نمایند.

گرمایش تخلیه قوس

از آنجایی که گرمایش با تخلیه قوس الکتریکی تا حد زیادی رایج ترین روش جهت حرارت دهی و ذوب نوک تار فیبر به شمار می آید، ارزش آن را دارد که آن را با جزئیات تجزیه و تحلیل نماییم. در تخلیه قوس، ولتاژی روی دو الکترود اعمال می شود که با یک شکاف هوای چند میلی متری از هم جدا شده اند. شکل A.1 تغییر جریان با ولتاژ اعمال شده به الکترودهایی را نشان می دهد که با یک شکاف هوا جهت تخلیه کلی جدا شده اند. جریان الکتریکی حاصل از طریق تابش حرارتی و همرفت محیط اطراف را گرم می نماید. از نظر فنی، این منبع حرارتی به جای تخلیه قوس، یک تخلیه درخشان “glow discharge” است، چراکه به اصطلاح در فرایندی با درخششی چند میلی آمپری عمل می نماید. با وجود این، ما به کنوانسیون اشاره به گرمایش تخلیه الکتریکی به عنوان گرمایش تخلیه قوس الکتریکی پایبند هستیم چراکه این اصطلاح در صنعت بسیار رایج است.

مشخصات گرمایش منبع گرمایی تخلیه قوس در مقالات با اندازه‌گیری شدت نوری تخلیه و اندازه گیری چگالی جریان، i، که بر حسب جریان در واحد سطح (A/m2) اندازه‌گیری می‌شود، تحلیل و ارائه شده است. شدت تابش با یک گاوسی در جهت عرضی مطابقت دارد، بنابراین چگالی جریان را می توان یک گاوسی متقارن شعاعی فرض نمود. در هر موقعیت محوری z بین الکترودها، جریان کل بین الکترودها با I_tot نشان داده می شود. با توجه به این مفروضات، چگالی جریان به صورت زیر به دست می‌آید.

که در آن “r” مختصات شعاعی، “z” مختصات محوری در امتداد محور دو الکترود و σ_arc(z) عرض مشخصه گاوسی در هر موقعیت محوری z است. ادغام این چگالی جریان بر روی تمام موقعیت های شعاعی، جریان کل I_tot را به دست می آورد. بر اساس داده‌های تجربی تاچیکورا، σ_arc(z) را می‌توان تقریبا به شکل زیر بیان نمود:

که  در نقطه میانی بین الکترودها z = 0 است، σ₀ عرض گاوسی را در z = 0 مشخص می نماید، و C_arc  یک ثابت است که از تغییر شدت تابش در جهت z تعیین می شود.

محققان دریافتند که شدت تابش با مجذور چگالی جریان درجه بندی می شود و در نتیجه چگالی انرژی لوکال “Local” نیز با مربع چگالی جریان درجه بندی می گردد. جهت اهداف تجزیه و تحلیل انتقال حرارت، منطقی است که فرض نماییم که دمای تخلیه متناسب با چگالی انرژی است. بنابراین، تخلیه قوس در نوک الکترود گرم ترین میزان می باشد و در امتداد محور r = 0 دمای تخلیه قوس در نقاط میانی بین نوک الکترود به حداقل می رسد. داغ ترین نقطه در هر موقعیت z ثابت در r = 0 در امتداد محور الکترود رخ می دهد. شکل A.4 این چگالی جریان و توزیع چگالی انرژی را با کمک خطوطی که خطوط چگالی انرژی ثابت و در نتیجه دما را مشخص می نماید، نشان می‌دهد. اتصال فیوژن تار فیبر منفرد به طور معمول در نقطه میانی بین الکترودها اتفاق می‌افتد، جایی که r = 0 و z = 0 است. هنگام فیوژن کابل ریبون “Ribbon”، تارهای نوری بایستی نسبت به الکترودها در امتداد خطی با چگالی انرژی ثابت قرار گیرند (همانطور که در حالت باز نشان داده شده است. دایره ها در شکل A.4) جهت اطمینان از اینکه تمام تار های نوری گرمایش یکسانی را تجربه نمایند. اندازه‌گیری‌های تجربی تحقیق تاچیکورا Tachikura از دمای فیبر این دیدگاه را تایید می نماید.

ویژگی های گرمایش تخلیه قوس به متغیرهای محیطی مانند دما، فشار هوا و رطوبت نسبی وابسته است. در نتیجه، پارامترهای اتصال فیوژن می‌توانند از محیطی به محیط دیگر، به ویژه در حین اتصال های میدانی متغیر باشند. علاوه بر این، مقدار کل گرمای تولید شده توسط یک قوس به طور پیوسته متغیر نیست. در زیر یک جریان معین، تخلیه قوس ناپایدار است و ممکن است به طور کامل خاتمه یابد. علیرغم این واقعیت که این آستانه پایداری به محیط اطراف حساس است، گاهی اوقات سطح پایین گرمایش مطلوب است، به عنوان مثال هنگام کاهش جریان فیزیکی یک اتصال فیوژن (همجوشی) یا انجام یک اتصال فیوژن در دمای پایین. در چنین مواردی تخلیه قوس ممکن است به سرعت در جریان تخلیه بالاتر جهت رسیدن به دمای فیبر پایین‌تر و در عین حال تخلیه قوس پایدار، پالس شود.

شکل A.4 تصویری از توزیع چگالی جریان و انرژی در یک اسپلایسر فیوژن قوس الکتریکی. چگالی جریان و انرژی به صورت چرخشی حول محور r = 0 متقارن است. خطوط خط چین نشان دهنده خطوط جریان ثابت یا چگالی انرژی ثابت هستند. خط منحنی یکپارچه با پیکان جهت دار، چگالی جریان بالاتر و یا کمتر را نشان می دهد. دایره ها مکان های مطلوبی را برای فیبر ریبون به تصویر می کشند تا از گرمایش یکسان اطمینان حاصل نمایند.

مشخصات گرمایش یک قوس همچنین به خلوص نوک الکترودها وابسته است که به طور معمول از فلز نسوز مانند تنگستن ساخته می شوند. در حین کار عادی، نوک الکترود تمایل به انباشت یک پوشش آلودگی دارد که می تواند شامل ذرات سیلیس یا گرد و غبار باشد. این ذرات می توانند مسیر جریان الکتریکی و در نتیجه مشخصات گرمایش قوس را مختل نمایند، که می تواند افت اتصال فیوژن را افزایش دهد. علاوه بر این، نشان داده شده است که ذرات آلودگی در حین اتصال فیوژن بر روی نوک تار فیبر نوری رسوب می نماید، بنابراین استحکام مکانیکی و قابلیت اطمینان طولانی‌مدت اتصال فیوژن را کاهش می‌دهند. راه حل این مشکل تمیز کردن منظم الکترودهای قوس الکتریکی با برس مخصوص است. با گذشت زمان الکترودهای قوس الکتریکی فرسوده می شوند و حفره هایی ایجاد می کنند که منجر به گرمایش ناپایدار یا غیر یکنواخت می شود. الکترودهای قوس الکتریکی که به خوبی نگهداری می شوند می توانند تا 4000 اتصال و یا بیشتر قبل از نیاز به تعویض دوام داشته باشند.

جریان دما

شکل B.5 به طور شماتیک جریان گرما را در طول اتصال فیوژن فیبر نوری ( همجوشی ) نشان می دهد. گرمای انتقال یافته به نوک تار فیبر توسط همرفت و تشعشع در درجه اول از طریق تشعشع و رسانش در طول تار فیبر نوری و به محیط اطراف پخش می شود. در واقع، تابش حرارتی ساطع شده توسط نوک های گرم شده می تواند در حالت های فیبر هدایت شونده همراه شود و در نتیجه یک توان سنج نوری اغلب افزایش شدت نوری را در طول اتصال همجوشی اندازه گیری می نماید. به همین دلیل در بیشتر موارد در حالی که اسپلایس تا دمای بالا گرم می شود اندازه گیری افت اتصال نادرست است.

شکاف بین نوک تار فیبر نوری به طور معمول در ابتدای اتصال فیوژن بسیار کوچک است و با فشار حرارت بلافاصله پس از آن به صفر می رسد. علاوه بر این، منبع حرارتی و نوک تار فیبر به طور معمول در مورد شکاف متقارن هستند بنابراین هیچ شار گرمایی در آن وجود نخواهد داشت. در نتیجه ما در تجزیه و تحلیل خود از شکاف بین تار های فیبر غفلت خواهیم کرد و با تار های فیبر نوری به گونه ای رفتار می کنیم که گویی یک میله شیشه ای منفرد می باشند. جهت ساده‌تر کردن تحلیل، فرض نماییم که منبع گرما و تار فیبر به صورت استوانه‌ای متقارن هستند به طوری که دامنه به دو مختصات فضایی، r شعاعی و z محوری کاهش می یابد.

تعادل انرژی تغییر دما در فیبر به کل شار گرما در سطح فیبر مرتبط می باشد. dT/dt

که ο چگالی فیبر است (2.2 کیلوگرم بر متر مکعب برای شیشه سیلیکا)، c_p ظرفیت حرارتی فیبر است (~700J/kg-K برای شیشه سیلیس در دمای معمول اتاق) و انتگرال بر روی کل حجم فیبر، V_fiber. همانطور که در شکل ‌B.5 نشان داده شده است، Q_input کل شار گرمای ورودی است که از همرفت، Q_conv، و تابش ورودی، Q_rad، در، تشکیل شده است.

در حالی که شار خروجی کل شار حرارتی است و از رسانایی ایجاد شده است، Q_cond، و تابش خروجی، Q_rad، خروجی، بنابراین

از آنجایی که دمای فیبر تا حد زیادی با توجه به شعاع خمش فیبر در حین اتصال فیوژن ثابت است، بیشتر تغییرات در دمای فیبر در جهت محوری یا z رخ می دهد. این گرادیان درجه حرارت محوری از طریق قانون فوریه باعث ایجاد یک شار حرارتی هدایتی در جهت محوری می شود.

انتقال حرارت تشعشع در شیشه داغ پیچیده است و احیا کامل فراتر از محدوده این مقاله است. با این حال، نتایج مهمی ممکن است از مشاهدات ساده گرفته شود. شیشه سیلیکا نسبت به تشعشعات حرارتی در مادون قرمز بلند (طول موج‌های بیشتر از 4μm) که بیشتر تشعشعات حرارتی دمای اتاق یافت می‌شود نسبتا مات است. از سوی دیگر، شیشه سیلیکا خالص در نور مرئی و مادون قرمز نزدیک (طول موج‌های کمتر از 2 میکرومتر) که بیشترین تشعشعات حرارتی در دمای بالا یافت می‌شود، نسبتا شفاف است. به هر حال، فیبرهای نوری از خالص ترین شیشه ممکن ساخته می شوند تا به بالاترین انتقال ممکن سیگنال های نوری نزدیک به مادون قرمز دست یابند! حداکثر طول موج انتشار، λ_peak، برای یک تابشگر حرارتی جسم سیاه توسط قانون وین “Wien’s” ارائه شده است.

که در آن T دمای پوشش مشکی بر حسب کلوین و آستانه لاندا یا پیک λ بر حسب میکرومتر است. برای منبع حرارتی که بین 1750 تا 3000 درجه سانتیگراد فعالیت می نماید، آستانه لاندا بدین صورت می باشد، 0.9μm < λpeak < 1.5μm. از آنجایی که فیبرهای نوری در این محدوده طول موج بسیار شفاف هستند، تابش حرارتی در سیلیس با دمای بالا در واقع یک پدیده حجمی می باشد نه یک پدیده سطحی.

از آنجایی که جذب در تار سیلیس به شدت به طول موج وابسته است، با یک مدل تشعشع پوشش خاکستری به خوبی قابل توصیف نمی باشد. علاوه بر این، داده های تجربی نشان می دهد که ضریب جذب طیفی مادون قرمز نزدیک و میانی شیشه سیلیس خالص، و همچنین گسیل طیفی آن، به طور قابل توجهی در دمای بالا افزایش می یابد. بنابراین، تعیین کمیت انتقال حرارت تشعشع در فیبر سیلیکا بدون توسل به مدل‌سازی عددی دشوار است. تلاش‌های قبلی برای جلوگیری از این مشکل، فیبرهای نوری را به‌عنوان اجسام خاکستری ساده در نظر می گرفتند و به‌طور خام فرض می‌کردند که گسیل و جذب سطح مؤثر فیبرها در دمای بالا در حدود 0.1 است.

راهنما دستگاه فیوژن فیبر نوری

فیوژن فیبر نوری