Главная  Теории теплообмена излучением 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 [ 24 ] 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156

8. По формуле Хагена - Рубенса постройте график зависимости спектральной степени черноты в наиравлении нормали от длины волны при температуре 30 К для полированной алюминиевой поверхности, используемой в криогенной установке. Какова интегральная степень черноты в наиравлении нормали? (Указание. Не пользуйтесь соотношениями, которые справедливы только для температур, близких к комнатным.)

РАДИАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА РЕАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

5.1. ВВЕДЕНИЕ

В данной главе будут рассмотрены основные радиационные свойства реальных материалов. Эти свойства могут существенно отличаться от вычисленных с помощью электромагнитной теории идеальных свойств, которые были рассмотрены в гл. 4 для оптически гладких поверхностей. Расчеты оказываются полезными для выявления общих тенденций и служат основой для объяснения различных радиационных явлений. Однако расчетные значения часто являются неудовлетворительными в том смысле, что инженер в основном имеет дело с поверхностями, загрязненными в той или иной степени, окисленными, окрашенными и т. д. Кроме того, эти поверхности имеют шероховатость, которую трудно в полной мере оценить. Чтобы показать характер возможных отклонений радиационных свойств, в данной главе будут приведены примеры некоторых типичных изменений радиационных свойств в зависимости от тех или иных параметров. Это поможет читателю оценить, в какой степени данная радиационная характеристика зависит от условий на поверхности. Кроме типичных свойств будет приведено несколько нетипичных примеров, которые показывают, какой тщательной должна быть проверка индивидуальных свойств, чтобы сделать правильный выбор их значений для расчетов теплообмена излучением.

-В этой главе будут рассмотрены только непрозрачные твердые вещества, которые не- пропускают энергию излучения через всю толщину тела. Сложные системы, такие, как тонкое покрытие на подложке из другого материала, могут частично пропускать излучение, но будем здесь считать, что излучение совсем не проходит через подложку. Мы не ставили перед собой цель собрать исчерпывающие сведения о радиационных свойствах. Обширные, но не исчерпывающие таблицы и графики по радиационным свойствам представлены в работах [1-6]. Некоторые табличные данные приведены в приложении Г.

В гл. 4 уже указывалось, что радиационные свойства металлов и диэлектриков, как это следует из электромагнитной теории, существенно различаются. По этой причине разделы 5.3 и 5.4 будут посвящены этим двум классам материалов, причем вначале будут рассмотрены металлы. Затем будут рассмотрены некоторые специальные поверхности с заданными зависимостями свойств от длины волны и наиравления.



5.2. ОБОЗНАЧЕНИЯ


А -Со -

е - Fo-x-

Р - Q-

Ч - т -

а - Р-7 -

е -э -

р

площадь;

скорость распространения электромагнитной волны в вакууме;

поверхностная плотность потока излучения;

доля энергии излучения абсолютно черного тела

в интервале спектра О - .;

распределение вероятности;

поток энергии;

плотность потока энергии;

удельное электрическое сопротивление;

абсолютная температура;

высота шероховатости поверхности;

поглощательная способность;

полярный угол;

абсолютная диэлектрическая проницаемость среды; степень черноты; азимутальный угол; длина волны;

абсолютная магнитная проницаемость среды; отражательная способность; постоянная Стефана - Больцмана (табл. А.4); среднеквадратичная высота шероховатости поверхности.

Подстрочные индексы

А - свойство относится к новерхности А; а - поглотитель; Ь абсолютно черное тело;

с - величина, вычисленная при пороговой длине волны; е - испускаемое излучение; i - падающее излучение; п - направление нормали; R - излучатель; г - отраженное излучение; S - зеркальное отражение; К - снектральная величина; О - } - в интервале длин волн О - X.

Надстрочные индексы

- величина зависит от одного направления; * - величина зависит от двух направлений.

5.3. РАДИАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Металлы с чистой гладкой поверхностью часто имеют низкие значения степени черноты и поглощательной способности и, следовательно, довольно высокие значения отражательной способности. Как видно из фиг. 4.11, степень черноты в направлении нормали длд целого ряда металлов с полированной поверхностью весьма низка. Низкие значения степени черноты, однако, свойственны не всем металлам. В некоторых случаях, которые будут рассмотрены далее, снектральная степень черноты достигает 0,5 или более высоких значений нри коротких волнах, а интегральная степень черноты увеличивается с повышениемтемпературы.

5.3.1. Зависимость степени черноты от направления

Для полированных металлов характерно возрастание нанрав-ленной степени черноты с увеличением угла р (отсчитываемого от нормали к поверхности), за исключением углов, близких к 90°. Это предсказывается электромагнитной теорией и подтверждено на примере платины (фиг. 4.7). При более коротких волнах, чем те, для которых применима упрощенная электромагнитная теория, изложенная в гл. 4, можно ожидать отклонения от указанного поведения. В качестве примера такого отклонения на фиг. 5.1 приведен график направленной спектральной степени черноты титана с полированной поверхностью. При длине волны, большей ~1 мкм, нанравленная снектральная степень черноты титана действительно имеет тенденцию увеличиваться с возрастанием р почти для всех значений углов. Увеличение с углом р становится менее заметным с уменьшением длины волны, и, наконец, при длине волны, меньшей 1 мкм, направленная спектральная степень черноты начинает даже уменьшаться с увеличением Р во всем диапазоне значений углов. Следовательно, при коротких волнах может нарушаться характерное для полированных металлов свойство увеличивать излучение в направлениях, близких к касательной к поверхности.

5.3.2. Зависимость от длины волны

В гл. 4 было показано, что в инфракрасной области спектра спектральная степень черноты металлов увеличивается с уменьшением длины волны. Для степени черноты в направлении нормали



Р, граэ



0,4 0,6

Фиг. 5.2. Зависимость спектральной степени черноты в направлении нормали Ся, п (А.) нолированных металлов от длины волны x [23]. 1 - молибден при 1110 К; 2 - железо при 1317 К; а - платина при 1217 К; 4 - никель при 1200 К; 5 - медь при 1242 К. иияель

1 г

Фиг. 5.1. Зависимость направленной спектральной степени черноты £\ (X, Р) чистого титана от длины волны [6].

Среднеквадратичное отклонение неровностей поверхности до 0,4 мкм. Р - угол направления излучения.

эта тенденция сохраняется в большом интервале длин волн (фиг. 5.2). Как следует из фиг. 5.1, такая же тенденция имеет место и для других направлений, за исключением направлений, образующих большие углы с нормалью, ири которых кривые для различных длин волн могут пересекаться. Кривая для меди на фиг. 5.2 составляет исключение, поскольку степень черноты с изменением длины волны остается почти постоянной.

При очень коротких волнах предположения, на которых основана упрощенная теория электромагнитного излучения (гл. 4), становятся несправедливыми. Большинство металлов в действительности имеют максимум степени черноты где-то вблизи видимого диапазона, а затем степень черноты быстро падает при дальнейшем уменьшении длины волны. Примером может служить кривая для вольфрама (фиг. 5.3).


0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1 2 3

Л, мкм

Фиг. 5.3. Зависимость полусферической спектральной степени черноты вольфрама (x, т^) от длины волны x и температуры поверхности [24].



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 [ 24 ] 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156

© ООО "Карат-Авто", 2001 – 2018
Разработчик – Евгений Андрианов