Глава 2

ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ НАГРЕТЫХ ТЕЛ

2.1. СУММАРНАЯ ПО СПЕКТРУ ПЛОТНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ

Суммарную плотность излучения абсолютно черного тела, т. е. плотность и злучения в диапазоне длин волн О...оо, определяют по закону Стефана- Больцмана:

RoT\ (2.1)

где R - плотность излучения, Вт/м ; Т - температура абсолютно черного тела. К; а = (5,6697 ± 0,0029)-lO-i Втм^.К*). В инженерных расчетах принимают от = 5,67-10-8 ВтДм.К*) = 5,67.lO-i* Btcm.K*).

Согласно определению лучистый поток, излучаемый абсолютно черным телом площадью S,

F = RS. (2.2)

В табл. 2.1 приведены значения плотностей излучения абсолютно чер-жого тела при различных температурах в диапазоне 200...6000 К.

Абсолютно черное тело - научная абстракция; в природе такого тела е существует. Для реальных же тел закон Стефана-Больцмана не приме-.ним, так как распределение плотности излучения по спектру у реальных тел и у абсолютно черного тела различны. Особенно это характерно для газов, которые излучают в определенных сравнительно узких полосах спектра. Однако у большинства твердых тел с шероховатыми поверхностями, особенно у диэлектриков, полупроводников и окислов металлов, распределение энер-.гии по спектру имеет такой же характер, как и у абсолютно черного тела. Такие тела называют серыми. Они характерны тем, что отношение их энергетических яркостей к энергетической яркости абсолютно черного тела при той же температуре, называемое коэффициентом излучения, не зависит от длины волны.

Строго говоря, серых тел тоже в природе не существует. Так, например, у многих металлов коэффициент излучения значительно уменьшается при увеличении длины волны, а у диэлектриков, наоборот, увеличивается (рис. 2.1). Но в ограниченных спектральных диапазонах многие тела с достаточной точностью можно считать серыми (рис. 2.2).

Введение понятия серого тела расширяет возможности практического использования закона Стефана-Больцмана, который для серого излучателя лринимает вид

R = Bj-oT*. (2.3)

Коэффициент излучения е^. является безразмерным и характеризует долю суммарного по спектру излучения данного материала от излучения аб-солютно черного тела при той же температуре. Если рассматривают не суммарное излучение, а излучение в узкой области спектра, то коэффициент излучения называют спектральным и обозначают Bj.

Коэффициент излучения e. зависит от материала, температуры, состояния излучающей поверхности и степени ее окисления. Так, окисление нержавеющей стали при температуре 1150° С в течение 15 мин повышает коэффициент

Таблица 2. Г

Плотности излучения абсолютно черного тела при различных температурах

К R, Вт/см i К i R. Вт/см2 i Т. К R, Вт/см Г. К /?, Вт/см

9.119 1,108 1,335 1,595 1,891 2,226 2,262 2,298 2,335 2,372 2,410 2,448 2,486 2,525 2,565 2,605 2,645 2,686 2,727 2,769 2,811 2,853 2,897 2,940 2,984 3,029 3,074 3,120 3,166 3,212 3,260 3,307 3,355 3,404 3,453 3,503 3,553 3,604 3.656 3,708 3,760 3,813 3,867 3,921 3,976 4,031 4,087 4,143 4,200 4,258

10- 10-2 10-г 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2

10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2

295 296 297 298 299 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740

4,316 4,375-4,440-4,495-4,555-4,616-5,264-

10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2

Примечание. При

5,976-10-2 6,759-10-2 7,616-10-2 8,553-10-2 9,573-10-2 0,1068 0,1188 0,1318 0,1459 0.1611 0,1774 0,1949 0,2136 0,2337 0,2552 0,2781 0,3026 0,3286 0,3562 0,3856 0,4167 0,4497 0,4846 0,5215 0,5605 0,6016 0,6450 0,6906 0,7386 0,7891 0,8422 0,8978 0,9562 1,017 1,081 1,149 1,219 1,291 1,368 1,448 1,532 1,619 1,709

750 760 770 780 790 800 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900 910 920 930 940 950 960 970 980 990 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200

1,803 1,901 2,004 2,110 2,220 2,335 2,453 2,577 2,705 2,838 2,975 3,118 3,265 3,418 3,576 3,739 3,968 4,083 4,263 4,450 4,642 4,841 5,046 5,257 5,475 5,699 6,928 8,345 9,968 1,182-10 1,392-10 1,628-10 1,893-10 2,190-10 2,519 2,885 3,290 3,735 4,224 4,760-10 5,345-10 5,983-10 6,676-10 7,428-10 8,241-10 9,119-10 1,007-102 1,108-102 1,218-102 1,335-102

О' О' 10 10 10

2250 2300 2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900 2950 3000 3050 3100 3150 3200 3250 3300 3350 3400 3450 3500 3550 3600 3650 3700 3750 3800 3850 3900 3950 4000 4050 4100 4150 4200 4250 4300 4350 4400 4450 4500

6000

ПОЛЬЗУЮТ пр.,о тарировке инфракрасной аппаратуры часто ис-

лля 4Tnv ,;Р' ело с температурой излучающей полости 373 или 573 К;, соответст РЗУР п-потности излучения составляют 0,1103 и 0,6144 Вт/см

злучения с 0,2 до 0,8. Аналогичное явление имеет место и для других металлов, хотя не всегда оксидная пленка значительно увеличивает коэффициент излучения. У алюминия, например, оксиднаи пленка, полученная путем выдержки при температуре 600° С, увеличивает коэффициент излучения примерно втрое, но его величина остается все же в пределах 0,1...0,2.

Коэффициент излучения повышается при увеличении шероховатости поверхности. Если высота бугорков шероховатости превышает в несколько раз длину волны излучения, то коэффициент излучения шероховатой поверх- ости вш подсчитывают по эмпирической формуле

еш= е[1 + 2,8 (1 - еЛ,

(2.4)

где е - коэффициент излучении гладкой поверхности. Формула (2.4) подтверждается опытными данными для нихрома, никель-кобальтового сплава, .нержавеющей стали, латуни и алюминии. Для многих других материалов невозможно количественно описать зависимость коэффициента излучения от характера обработки поверхности, а также от ее температуры и степени окисления. В случае необходимости проведения расчетов по формуле (2.3) значения Ej- берут на основании результатов экспериментальных исследований, представленных табл. 2.2-2.4 и рис. 2.3-2.21 [9, 24, 29, 43, 48].

Графики, приведенные на рис. 2.3-2.14, и соответствующие им данные табл. 2.3 относится к чистой полированной поверхности металлов [24]. Коэффициенты излучения для некоторых боридов, карбидов и нитридов тугоплавких и редкоземельных металлов (табл. 2.5) определялись для нагретых по-.рошков указанных веществ [9, 29]. Графики на рис. 2.15-2.21 соответствуют нержавеющим сталям, жаростойким сплавам и тугоплавким материалам, которые используют в объектах, работающих при высокой температуре.

В некоторых случаях требуется создание специальных покрытий, имеющих малый коэффициент излучения. Обычные керамические покрытия, пред--назначенные для борьбы с коррозией металлов (например А-418 или 5210-ТА-1К) уменьшают излучательную способность незначительно. Более эффективными являются покрытия А-417/234, А-417/235 и 216, которые отлн-чаются монотонно убывающим ходом зависимости е (i). Графики этой зави--симостн и зависимости е (Я) для ннконелевого образца с керамическим покрытием А-417/235 показаны соответственно иа рис. 2.22 и 2.23 [9].

¥

о г 4 Б 8 Х,мт

Рис. 2.1

г В 8 W 1гх,тм

Рис. 2.2

Рис. 2.1. Графики зависимости спектрального коэффициента излучения от длины волны: / - керамика А-417/235, Г-1000...1300 К: 2 - никелевый сплав, Г=1ОО0...11О0 К.

Рис. 2.2. Графики зависимости спектрального коэффициента излучения от длины волиы для некоторых материалов, которые можно считать серыми телами: I - глииа, Т =363 К; 2 - грунт из песка, глииы н известняка, Г-ЗбЗ К; 3 - мелкая галька, Т=363 К; 4 - орг--стекло полированное, Г=363 К; 5 - дюраль матовый, 7 =383 К; 6 - нержавеющая сталь, Г=383 К; 7 - дюраль гладкий, Г=383 К.