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

на фнг. 5.17 примерно вдвое меньше, чем на фиг. 5.15. Это еще раз подчеркивает значительные отклонения в свойствах, которые можно обнаружить у образцов, имеющих один н тот же общий вид. В критических условиях работы материалов, когда радиационные свойства являются определяющими, требуются измерения радиационных свойств пснользуемых материалов.


4000 6О00

Фиг. 5.20. Интегральная поглощательная способность в направлении нормали а'п неметаллов при комнатной температуре. Падающее черное излучение испускается источниками при указанной температуре Тц [1]. О темно-серый гладкий шифер; □ подверженный атмосферному воздействию асфальт; Л белая бумага; V белый мрамор.

На фиг. 5.20 приведены данные но интегральной поглощательной способности в направлении нормали нескольких материалов при воздействии черного излучения, испускаемого источниками с различной температурой. Белая бумага хорошо поглощает излучение, испускаемое при низких температурах, но плохо поглощает излучение при температурах в^ несколько тысяч градусов Цельсия и, следовательно, является хорошим отражателем излучения Со.лнца. С другой стороны, дорожный асфальт п.ли серый кровельный шифер очень хорошо поглощают солнечное из.лучение.

5.4.3. Влияние шероховатости поверхности

На фиг. 5.21 приведен график зависимости двунаправленной интегральной отражательной способности бумаги для пишущей машинки от угла отражения для трех различных углов падения. В случае идеальной поверхности (полированной, гладкой) ник, соответствующий зеркальному отражению, следует ожидать при

уг.ле отражения, симметричном углу падения относите.льно нормали. Совершенно очевидно, что поверхность бумаги д.ля пишущей машинки не является идеальной, так как интенсивность отраженного из.лучения охватывает довольно большой угол относительно направления, соответствующего зеркальному отражению. В работе [13] приводятся результаты подробных измерений двунаправленной отражательной способности керамической окиси


0,1 P (fte,Pp r-

Фиг. 5.21. Двунаправленная интегральная отражательная способность р (Р, 6, 6 = О + я) бумаги для пишущей машинки, измеренная в плоскости падения. Температура источника 1178 К. (График построен по данным работы [27].) Рг - угол отражения; Р - угол падения.

магния с оптической шероховатостью aJX = 0,46 -f- 11,6. С увеличением шероховатости и угла падения излучения появ.ляются незеркальные пики, о которых уже упоминалось при рассмотрении фиг. 5.6.

В общем случае степень черноты диэлектриков лишь незначительно увеличивается с увеличением шероховатости. В работе Кокса [171 однако показано, что для диэлектриков, с отношением диаметра впадины к средней длине свободного пробега луча 1) около 0,05, степень черноты возможно меньше, чем для гладкой поверхности. Этот результат был предсказан теоретически и подтвернеден экспериментально. Из-за высокой пористости многих диэлектриков трудно изучать влияние параметров шероховатости ниже определенного предела.

С помощью кривых, типа приведенных на фиг. 5.21, можно представить энергию отраженного излучения в виде суммы чисто

1) См. определение в разд. 13.5.2.



Глава 5

диффузной и чисто зеркальной компонент. Этот вид аппроксимации реальных характеристик в некоторых случаях имеет преиму-ш;ества и приводит к унрош;ению расчетов обмена излучением на сравнению с расчетами при использовании точных направленных характеристик [18, 19]. В других же случаях эта аппроксимация оказывается совершенно непригодной. Один из таких нрплгеров приведен па фиг. 5.22, где представлены экспериментальные данные но двунаправленной интегральной отражательной способности новерхности Луны в видимой области спектра. Эти кривые относятся к горным районам, но аналогичные кривые были получены


О 6,1

Р (р,в,р^,в,= е+л)

Фиг. 5.22. Двунаправленная интегральная отражательная способность Р (Р, 0, Рг 0;- = 0 + л) горных районов поверхности Луны, измеренная в плоскости падения [30].

Рг - угол отражения; Р - угол падения;

Р = 0;----Р = 30°;---Р =

Р (Р = Рг = 0)/cos р.

и для других районов. Интересной особенностью этих кривых является соответствие пика отраженного излучения направлению, обратному нанравлению падаюш;его луча. Этот пик расположен под углом 9, отличаюш;имся на 180° от угла, совтветствуюш;его пику зеркального отражения.

На первый взгляд можно утверждать, что такой вид кривых должен характеризовать отражательнзто способность лунной поверхности. В нолнолунпе, когда Солнце, Земля и Луна находятся почти (но не совсем) на прямой липни (фиг. 5.23), Луна кажется освеш;енной одинаково ярко но всей ее новерхности. При этом земной наблюдатель должен фиксировать одинаковую интенсив-

Радиационные свойства реальных материалов

ность излучения от всех точек Луны. Однако энергия падаюш;его на единицу площади лунной новерхности солнечного излучения, пропорциональна косинусу угла Р между Солнцем и нормалью к новерхности Луны. Угол р меняется от О до 90° по мере перемещения места падения излучения от центра к краю лунного диска. Чтобы наблюдаемая с Земли интенсивность излучения, отраженного от различных точек лунной новерхности, была одинаковой, -необходимо, чтобы произведение р (Р, Рг) cos Р было постоянным. Следовательно, с увеличением угла падения величина двунаправленной отражательной способности в направлении

Интенсибность излучения, отраженного на Землю

ico/iHCOspdWco/iH р (Р,Рг)

Интенсивность падающего излучения


Фиг. 5.23. Энергия, отражаемая Луной в полнолуние.

падающего луча должна увеличиваться примерно пропорционально величине 1/cos Р (на фиг. 5.22 показана штриховой линией). Это изменение величины отражательной способности с изменением угла падения будет компенсировать уменьшение энергии излучения, падающего под большими углами на единицу площади Луны. Такой характер изменения отражательной способности подтверждается кривыми на фиг. 5.22. Следовательно, тот факт, что Луна имеет одинаковую яркость, Сще не означает, что она является диффузным отражателем. Если бы новерхность Луны была диффузной, она казалась бы яркой в центре и темной но краям.

Поведение Луны в инфракр.асной области спектра рассмотрено в работах [20, 21].



0,3 -

5 0,6


I I I i

5.4.4. Полупроводники

Полупроводники условно рассматривались здесь вместе с неметаллами, но они ведут себя до некоторой степени, как металлы. Либерт [22] показал, что радиационные свойства полупроводников можно определить с помощью электромагнитной теории, рассматривая их как металлы с высоким удельным электрическим сопро-J Р тивлением. На фиг. 5.24

представлены данные по спектральной степени черноты кремния в направлении нормали. Здесь же для сравнения приводится кривая, построенная по формуле Хагена - Рубенса с использованием удельного сопротивления, измеренного при постоянном токе для того же образца. Это один из тех немногих случаев, когда для сравнения имеются экспериментальные данные по радиационным и э.лект-рическим свойствам. Совпадение данных удовлетворительно лишь при длинах волн, значительно превышающих те, при которых достигается согласование в случае металлов. Это различие в интервалах длин волн, в которых имеет место совпадение данных, можно объяснить следующим, принятым при выводе форму.ты Хагена-Рубенса, предположением (разд. 4.6.2)

16 20 X, мкм

24 28 32 36

Фиг. 5.24. Спектра.ньная степень черноты высоколегированного кремния в направлении нормалп х, п Ш при комнатной температуре [22]. - экспериментальная кривая;---результаты расчета по формуле X агена - Рубенса (4.77); X - длина волны.

2яСоГе7 )

>1

В случае полупроводников, удельное сопротивление которых больше, чем у металлов, это неравенство не может выполняться до тех пор, пока не будет достигнут некоторый интервал длин волн, который выше, чем в случае металлов.

По форме экснериментальная кривая для кремния (фиг. 5.24) напоминает собой кривую, которую можно было бы ожидать для полированного металла (см., например, экспериментальные данные для вольфрама, приведенные на фиг. 5.3). На большей части исследованного спектра степень черноты возрастает с уменьшением длины волны, достигая максимума при меньших длинах волн. Однако кривая для полупроводника смещена в сторону более длинных волн по сравнению с соответствующей кривой

для металла. Например, максимум степени черноты лежит далеко за пределами видимого спектра.

Либерту [22] также удалось получить хорошее согласование экспериментальных значений степени черноты со значениями, вычисленными с помощью электромагнитной теории, в которой было учтено влияние свободных электронов и которая является более сложной, чем теория, рассмотренная в гл. 4. Оценка теоретических зависимостей производилась с помощью физических параметров, измеряемых на тех же образцах, для которых осуществлялись измерения степени черноты.

5.5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ

В инженерной практике часто бывает необходимо изменить радиационные свойства поверхностей с тем, чтобы увеличить или уменьшить их естественную способность поглощать, из.тучать или отражать энергию излучения.Этого можно достичь, либо создавая желаемые спектральные характеристики, либо - желаемые направленные характеристики.

5.5.1. Изменение спектральных характеристик

При использовании поверхностей для аккумуляции энергии излучения, например в солнечных перегонных аппаратах, солнечных печах, солнечных аккумуляторах для преобразования энергии, необходимо, чтобы поверхность поглощала максимальное количество энергии при минимальных потерях на излучение. В солнечных термоионных или термоэлектрических установках желательно обеспечить максимально возможную равновесную температуру на поверхности, облучаемой Солнцем. В этом случае также требуются максимальные по аккумуляции и минимальные по потерям энергии характеристики. Позднее в этом разделе будут рассмотрены условия, когда поверхность, подверженную воздействию солнечного излучения, необходимо поддерживать холодной. В последнем случае желательно иметь максимальное отражение солнечного излучения в сочетании с максимальным излучением поверхности.

Используемая для аккумуляции солнечной энергии абсолютно черная поверхность будет, конечно, поглощать максимальное количество солнечной энергии, но, к сожалению, она будет также иметь и максимальные потери энергии вследствие излучения. Если, однако, удалось бы создать поверхность, имеющую высокую поглощательную способность в диапазоне коротких волн вблизи максимума спектра излучения, Солнца и достаточно низкую поглощательную способность в диапазоне более длинных волн, где располагается максимум излучения поверхности, то такая



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