Экспериментальная методика и установка для исследования спектральной излучательной способности

По теории и используемым методам теплообмен излучением уже давно превратился в самостоятельную область научных исследований со своей спецификой и проблематикой.

Значение радиационного теплообмена возрастает с повышением температуры излучающих объектов, эмиссионных свойств рабочих сред и их параметров.

Наряду с этим возрастают требования к точности расчетов лучистого теплообмена, которые напрямую зависят от первичных радиационных характеристик материалов и параметров рабочих сред (шероховатости, степени окисления).

Важная роль в уточнении методов расчета лучистого теплообмена принадлежит экспериментальным исследованиям спектральной излучательной способности материалов.

Однако ощущается явный недостаток в надежных экспериментальных данных по спектральным излучательным свойствам сталей и огнеупорных материалов.

Поэтому разработка конкретной экспериментальной методики и установки для исследования излучательной способности материалов при повышенных температурах является актуальной.

Излагаемая в настоящей работе методика измерений спектральной излучательной способности основана на использовании оптической схемы спектрометра ИКС-24 (рис. 1).

В схеме спектрометра ИКС-24 сохранен двухлучевой осветитель (рис. 1).

Это позволило производить более качественную предварительную настройку спектрометра и градуировку его по длинам волн, для проведения которой зеркала 5 выдвигаются, освобождая оптический путь лучей от осветителя 1 к монохроматору 2.

После градуирования по длинам волн зеркала 5 устанавливаются на прежнее место и производится приближенное уравнивание потоков излучения от печей, используемых в качестве абсолютно черных тел по обоим каналам.

После процедуры уравнивания потоков излучения, в один канал устанавливается исследуемый образец, нагреваемый печью – абсолютно черным телом – и с помощью регистрирующего устройства ИКС-24

записывается величина разбаланса оптического канала образца по отношению к каналу с абсолютно черным телом во всем диапазоне длин волн.

Рис. 1. Принципиальная схема установки для измерений спектральной излучательной способности материалов: 1 - осветитель ИКС-24; 2 - монохроматор ИКС-24; 3 - печь - абсолютно черное тело; 4 - нагреваемый образец; 5 - зеркало; 6 - водоохлаждаемый экран; 7 - заслонка

Ниже рассматривается вывод формулы, по которой можно обрабатывать первичные показания спектрометра, избегая длительного процесса уравнивания температур поверхности образца и излучающей полости – абсолютно черного тела.

Эти уравнения для каналов образца и сравнения записываются как (нижние индексы X опускаем):

е ( Т) r з Е ( Т )+ r з Е ф-1 + £ з Е ( Т ф )+ Е ф-2 - Е n = ВС 1 , (1)

8 ° ( Т ° ) r.Е ( Т )+ r 3 Е ф-1 + 8 3 Е ( Т ф )+ Е ф-2 - Е _п= ВС ₂                 (2)

где 8 , Т - степень черноты образца и его температура;

8 ° , Е ° , Т ° - степень черноты, плотность излучения и температура абсолютно черного тела; r 3 , 8 3 , - отражательная и излучательная способности зеркала 5 (рис.1); Т ф , Е ф-1 , Е ф _-2 - температура и плотности фонового излучения до и после зеркала 5; Е _п, В , С 1 , С ₂ - обратный тепловой поток, постоянная приемника и аппаратные функции в первом и втором каналах.

Из принципа работы двухлучевого спектрофотометра известно, что в каждый момент времени лучистые потоки, падающие на приемник излучения, уравниваются в обоих каналах при помощи фотометрического клина, то есть : ВС 1 = D _к ВС ₂, где D _к - доля пропускания излучения при помощи фотометрического клина.

Для пропускания D _к, отражения R _к и поглощения А _к можно записать D к + R к + А к = 1 •

Учитывая, что А _к= 8 _к, из равенства потоков в первом и втором каналах получаем:    D к [ 8 ° ( 7 ) r 3 Е ф-1 + 8 3 Е ° ( Е ф )+ Е ф-2 ]+ 8 к Е ( Т ф )- D к 8 к Е ( Т ф )=

= 8 ( Т ) r 3 Е ° ( Т )+ 8 3 Е ф-1 + 8 3 Е ° ( Т ф )+ Е ф-2 .                        (3)

С погрешностью ± 0,5 % (при Т =1000 К) можно записать: D к 8 ° ( Т ° ) Е ° ( Т )= 8 ( Т ) Е ( Т ), откуда :           8 ( Т )= D к 8 ° ( Т ° ) Е ° ( Т )/ Е ° ( Т).

Окончательно получаем:

8 ( Т )=[(ехр( c 2 / Х T) -1)/(exp( c 2 / Х T )-1] D к 8 ° ( Т ° ),                      (4)

где с ₂ - вторая константа излучения Планка, X - длина волны.

Эффективная степень черноты используемой трубчатой модели абсолютно черного тела составляет: 8 ° = °,99.

Плотность фонового излучения представляет собой рассеянный от посторонних источников и от нагревательной печи тепловой поток, не относящийся к излучательной способности непосредственно самого образца.

Таким образом, формула (4) позволяет определять спектральную излучательную способность материалов ε ( λ , Т ) на основе показаний спектрофотометра D к для зарегистрированной длины волны λ и измеренных на момент записи спектра значений температуры поверхности образца T и температуры излучающей полости абсолютно черного тела Т ⁰.

Значения спектральной излучательной способности материалов ε ( λ , Т ) относятся к температуре поверхности образца T .

Исходные характеристики состояния поверхности исследуемых образцов при спектральных измерениях определяются теми же способами, что и в случае интегральных измерений.

Разработанная методика может быть воспроизведена с помощью других типов    спектрофотометров отечественного и зарубежного производства.

Измерение температуры поверхностей исследуемых образцов и излучающей полости абсолютно черного тела измеряется хромель-копелевыми или хромель-алюмелевыми термопарами.

Дополнительный контроль измеряемой температуры абсолютно черного тела производится с помощью оптических бесконтактных методов пирометрами полного излучения, например, ТЕРА-50 и ОППИР-17 в зависимости от температурного диапазона.