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

Существенное влияние на радиационные свойства может оказывать и структура покрытия. На фиг. 5.13 приведена полусферическая спектральная отражательная способность алюминия с покрытием из сернистого свинца. В обоих представленных случаях масса покрытия, приходящаяся на единицу площади поверхности, была одинаковой. Различие в структуре и размерах кристаллов покрытия приводит к тому, что отражательная способность образцов при длинах во.лн, больших 3 мкм, различается вдвое.

5.4. РАДИАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

НЕПРОЗРАЧНЫХ НЕМЕТАЛЛОВ

В общем случае неметаллы при умеренных температурах характеризуются высокими значениями интегральной полусферической степени черноты и поглощательной способности и, следовательно, низкими но сравнению с металлами значениями отражательной способности. В г.л. 4 с помощью упрощенной электромагнитной теории были получены некоторые результаты для чистых оптически гладких поверхностей. Они позволяют сделать следующие выводы (с учетол! довольно строгих ограничений теории): направленная степень черноты уменьшается с увеличением угла, отсчитываемого от нормали к поверхности; зависимость от длины волны обычно слабая, так как она появляется в определяемой характеристике через показатель прелом.ленпя, который для большинства неметаллов слабо изменяется с длиной волны; наконец, температурная зависимость свойств неметаллов также слабая, так как температура, как это следует из теории, влияет только через показатель преломления, который обычно слабо зависит от температуры.

Трудность применения этих выводов состоит в том, что в большинстве случаев неметаллы нельзя отполировать до такой степени, чтобы их поверхность можно было считать идеальной, хотя и существуют довольно распространенные исключения, как, например, стекло, различные типы больших кристаллов, драгоценные камни и некоторые пластмассы (часть этих материалов не относится к непрозрачным). Вследствие неидеальной обработки поверхности поведение многих неметаллов в действительности совершенно не соответствует предсказаниям электромагнитной теории.

Имеющиеся экспериментальные данные для нвхметаллов значительно скуднее, чем для металлов. Часто отсутствуют определения состояния поверхности, ее структуры и т. д. В качестве примера приведена табл. 5.1, в которой не определены ни тип древесины, ни структура, ни цвет кирпича, пи состав масляной краски. Из этой таблицы видно, что многие неметаллические вещества при комнатной температуре имеют высокие значения степени черноты (см. также таблицу в приложении Г).

Материал

Материал

0,94

Рубероид

0,91

Ламповая сажа

0,95

0,92

Масляная краска

0,89-0,97

Древесина

0,8-0,9

Истолкование измеренных характеристик усложняется тем, что излучение, проходящее внутрь неметаллического вещества, может до поглощения проникать в глубокие слои (это очевидно для видимого диапазона спектра на примере стекла). Чтобы поглотить почти все падающее излучение, образец должен иметь

Л, мкм

Фиг. 5.14. Степень черноты покрытий из окиси цинка на подложке из оксидированной нержавеющей стали. Температура поверхности 880 ± 8 К [16].

подложка

- подложка;--подложка с шероховатостями, заполненными окисью

цинка; подложка с заглаженными шероховатостями и покрытие толщиной 6:---6 =

0,05 мм; ----6 = 0,10 мм;-----6 = 0,20 мм;----6 = 0,41 мм. nW-

спектральная степень черноты в направлении нормали; % - длина волны.

Значительную толщину. В противном случае его нельзя считать непрозрачным и необходимо учитывать пронущенное излучение. Часто неметаллические вещества, например краски, наносят на металлическую и.ли другую непрозрачную основу (подложку) и затем измеряют свойства полученной системы. Если при этом хотят получить поверхность со свойствами вещества покрытия.

Таблица 5.1

Интегральния степень черноты в направлении нормали для неметаллов при температуре 20° С [1]



толщина неметаллического покрытия должна быть достаточной, чтобы не пропустить значительной доли излучения через покрытие. Если это условие не соблюдено, то при измерении отражательной способности часть падающего из.лучения будет отражаться от подложки и, пройдя через покрытие, добавится к энергии, регистрируемой прибором. Полученные результаты измерений будут в этом случае зависеть как от свойств вещества покрытия, так и от свойств вещества подложки.

При измерении степени черноты вещества покрытия слой покрытия должен быть достаточно толстым, чтобы излучение подложки не проникало через покрытие. Хороший пример приводит Либерт-[16]. Он определял спектральную степень черноты окиси цинка на различных подложках при различных толщинах окисного слоя. На фиг. 5.14 показано влияние толщины покрытия на степень черноты системы, состоящей из слоя окиси цинка и подложки, имеющей примерно постоянную спектральную степень черноты в направлении нормали. Влияние толщины покрытия .становится незначительным при толщинах 0,2-0,4 мм, и значение степени черноты приближается к ее значению для окиси цинка.

Рассмотрим теперь зависимость радиационных свойств диэлектриков, от длины волны, температуры и шероховатости поверхности, а затем остановимся вкратце -на радиационных свойствах полупроводников.

5.4.1. Спектральные измерения

По сравнению с металлами имеется мало спектральных измерений свойств диэлектриков. На фиг. 5.15 приведены данные но полусферически-направленной спектральной отражательной способности в направлении нормали для трех покрытий стали краской. На основании закона Кирхгофа и соотношений взаимности для отражательной способности разность между единицей и этим значением отражательной способности можно рассматривать как спектральную степень черноты в направлении нормали. Все три краски имеют разные характерпстики. Белая краска при малых длинах волн имеет высокую отражательную снособность (низкую степень черноты), которая уменьшается с увеличением длины волны. С другой стороны, черная краска имеет во всем рассматриваемом диапазоне длин волн сравнительно низкую отражательную способность. Добавление алюминиевой пудры в кремнийоргаипческое соединение, используемое в качестве краски, увеличивает отражательную снособность, как и следо-ва.ло ожидать для более металлического покрытия. Этот особый образец алюминированной краски ведет себя подобно серой поверхности, так как ее свойства слабо зависят от длины волны. Вследствие большого изменения спектральной степени черноты

0,8г-


Фиг. 5.15. Спектральная отражательная способность красок, используемых в качестве покрытий. Образцы при комнатной температуре [29].

1 -алюминированная кремнийорганическая краска на инконеле X, толщина слоя краски 25 мкм; 2 - черная эмалевая краска на стали, толщина слоя краски 15 мкм; з - белая краска на стали, р^ (Я) - полусферически-направленная спектральная отражательная способность в направлении нормали; 7, - длина волны.


Фиг. 5.16. Направленно-полусферическая спектральная отражательная способность окиси алюминия. Угол падения 9°. Образцы при комнатной

температуре [5].

- Нортон, ra 4213; 2 - Нортон, la 603. Ря~(Я, Р = 9°) - направленно-полусферическая спектральная отражательная способность; x - длина волны.



при малых длинах волн применять приближение серого тела к белой краске нельзя, за исключением тех случаев, когда излучение в коротковолновой области спектра несуш;ественно.

Как следует из фиг. 5.16, отражательная способность некоторых неметаллов при малых длинах волн в видимой области спектра может суш;ественно уменьшаться. Такое поведение имеет важное значение в тех случаях, когда необходимо подобрать специальное неметаллическое покрытие для отражения излучения от высокотемпературного источника, у которого большая доля энергии приходится на коротковолновую часть спектра.

5.4.2. Зависимость интегральных характеристик от температуры

Влияние температуры поверхности на интегральную степень черноты нескольких неметаллических материалов показано на


800 1000 1200 1400

600 Та, к

Фпг. 5.17. Влияние температуры поверхности на интегральную степень

черноты диэлектриков [1]. Полусферическая интегральная степень черноты £(Г^): О керамическое покрытие на нержавеющей стали: □ окись циркония (непрозрачное покрытие) на инконеле. Интегральная степень черноты в направлении нормали (Гд): А покрытие из карбида кремния на графите; V огнеупорный материал на окиси магния; алюминированная крем-нийорганическая краска на титане, толщина слон краски 25 мкм; 1> черная теплоизоляционная краска на стали, толщина слоя краски 15 мкм; О белая краска на (нержавеющей стали. Tj - температура.

фиг. 5.17-5.19. С ростом температуры наблюдается тенденция как к увеличению, так и к уменьшению степени черноты. В неко-

торых случаях влияние температуры может быть связано с малой толш;иной покрытия из диэлектрика, вследствие чего на его свойства оказывают влияние температура п спектральные характеристики веш;ества подложки. Например, из фиг. 5.17 видно, что для


2000

Фиг. 5.18. Влияние температуры поверхности на интегральную степень черноты в направлении нормали {Т^) окиси алюминия [5]. J - Нортон, LA 603; г - Нортон, НА 4213. Т^ - температура.

огнеупорного материала из окиси магния степень черноты заметно уменьшается с увеличением температуры. И наоборот, для покрытия из карбида кремния на графите степень черноты увеличивается с температурой, что можно частично объяснить радиационными свойствами графитовой под.ложкн, степень черноты которой (фиг. 5.4) увеличивается с температурой.


2000

Фиг. 5.19. Влияние температуры поверхности на интегральную степень

черноты в направлении нормалп g/, {Та) окиси циркония [5]. О стабилизированная кальцием; Д стабилизированная магнием. - температура.

Как черная, так и белая краски имеют высокие значения степени черноты в рассматриваемом здесь типичном для обычных красок на масляной основе рабочем интервале температур. Алюминированная краска имеет более низкую излучательную способность, так как она до некоторой степени подобна металлу. Обратите внимание, что степень черноты алюминированной краски



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