ПОГЛОЩЕНИЕ И ОТРАЖЕНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧЕЙ
При расчете и проектировании радиационных, установок с использованием газовых горелок необходимо учитывать прежде всего спектральную характеристику излучающего насадка (панели) трубки и терморадиационные (оптические) свойства облучаемых материалов (поглощаемость, отражаемость и пропускаемость лучистого потока в зависимости от его длины волны и толщины слоя материала, а также селективность).
В общем случае рекомендуется подбирать излучатели с максимумом энергии излучения, совпадающим с максимумом поглощения ее материалом при данных длинах волн. Однако при этих условиях материал должен иметь наименьшую отражательную и пропускательную способности.
Если облучается тонкий слой материала, находящийся на подложке, например лакокрасочное покрытие, то в этом случае следует выбрать такой спектр излучения генератора (излучателя), при котором пленка материала будет иметь максимум пропускания, а подложка — максимум поглощения.
В этом случае за счет излучения в основном будет нагреваться подложка, а от нее — пленка (путем кондукции).
На рис. 81 показана схема распределения лучистого падающего потока на однородный слой материала. В первом случае, когда тело обладает высокой лучепоглощательной способностью (рис. 81,а), лучистый поток, падающий на тело, частично отражает его поверхностью, частично (в большей степени) поглощается внутри тела. В этом случае наиболее интенсивно нагреваются верхние слои тела. Причем, чем меньше теплопроводность тела, тем сильнее будут нагреты его верхние слои (считая от облучаемой поверхности). Во втором случае (рис. 81,6), когда тело обладает невысокой поглощательной способностью, часть лучистого потока будет отражена внешней поверхностью тела, часть — граничным слоем (тело — воздух), которая в свою очередь, отразившись, возвратится в толщу тела, а остальная часть потока пройдет сквозь тело. В данном случае температура на облучаемой стороне будет несколько выше, чем на противоположной, однако внутри слоя температура будет ниже, чем на его границах.
На рис. 82 представлена схема распределения лучистого потока в двухслойном (неоднородном) теле. При высокой пропускательной способности первого слоя (рис. 82, а) и высокой поглощательной способности второго (подложки) лучистый поток частично отражается на границах первого слоя и частично поглощается вторым слоем (подложкой из стали), нагревая его. В этом случае температура у необлучаемой поверхности первого слоя (у облучаемой поверхности второго слоя) будет значительно выше, чем у облучаемой поверхности первого слоя. На некоторой глубине этого слоя температура будет меньше, чем на его границах. Во втором случае (рис. 82,6), когда подложка обладает высокой отражательной способностью, например из алюминия, нагрев ее будет значительно медленнее, чем в первом случае, поэтому и температура на границе первого и второго слоев будет также меньше.
Из рассмотренных примеров следует, что при лучистом нагреве материалов с высокой пропускательной способностью их нужно помещать на подложке с высокой поглощательной способностью. При подложках из алюминия (с высокой отражательной способностью) необходимо либо перед нанесением покрытия обрабатывать поверхность подложки пескоструйными аппаратами или травлением (для увеличения шероховатости), либо увеличивать интенсивность облучения, если не удается подобрать излучатель с соответствующим спектром излучения.
Для толстых материалов рекомендуется применять излучатели со спектром, хорошо пропускаемым и мало отражаемым данным материалом, чтобы обеспечить более глубокое проникание излучения в материал. В качестве примера на рис. 83 показаны кривые пропуска- тельной и отражательной способности коллоидального капиллярно-пористого тела в зависимости от длины волны и кривые спектрального излучения кварцевых трубчатых излучателей (Т = 1425° К и Т = 2250° К).
Из рисунка видно, что области максимального пропускания материала соответствует и область максимального отражения. Выбор излучателя должен производиться в зависимости от технологии обработки материала. При необходимости интенсивной обработки поверхности материала целесообразно принять излучатель, у которого максимум излучения приходится на область минимального отражения и пропускания материала. При обеспечении прогрева материала по глубине (толщине) следует принять излучатель 4, максимум излучения которого приходится на область высокой пропускаемости материала.
Исследованиями установлено, что общая отражательная способность материалов снижается с уменьшением их влажности, поэтому целесообразно в процессе сушки менять температуру излучателей. Это положение, однако, нельзя распространять на излучатели, в которых газ сжигается в объемных керамических или металлических сетках, так как эти излучатели из условий устойчивости и полноты горения газа не позволяют менять температуру излучающего насадка. Поглощение инфракрасных лучей материалами происходит не только с поверхности, но и на некоторую глубину, причем на глубину проникания лучей наряду с плотностью падающего на тело лучистого потока, оптическими свойствами и селективностью тела оказывает влияние и форма тела. Например, при облучении цилиндра наибольший эффект достигается при наружном облучении, что обусловлено большей лучевоспринимающей поверхностью.
Для проводников электричества (металлов) как непрозрачных тел глубина пропускания инфракрасных лучей очень мала и составляет не более 1/2 длины волны (Р. Поль). По данным Э. Эккерта, пропускательная способность этих материалов составляет не более 1 %.
Строительные и огнеупорные материалы обладают также незначительной пропускательной способностью.
Для обеспечения более интенсивного нагрева и сушки материалов необходимо, чтобы поверхностные слои их имели высокую пропускательную способность и зона максимальной температуры достигала наибольшей глубины.
Исследованиями установлено, что при длине волны излучения около 0,8 мк пропускаемость воды достигает 80%, а при длине волны Я=1 мк она составляет в зависимости от толщины слоя около 60%. При длине волны более 1,3—1,4 мк вода становится практически непроницаемой, так как полностью поглощает излучение с такой длиной волны.
Проницаемость многих материалов увеличивается с уменьшением длины волны излучения и уменьшается с увеличением толщины слоя. Для материалов с увеличенной влажностью проницаемость снижается. Лед толщиной 3 мм пропускает до 25% коротковолнового излучения.
