Cum afectează rugozitatea suprafeței unei plăci de încălzire transferul radiativ de căldură la temperaturi ridicate?

Peste 300 de grade, o placă de încălzire transferă o cantitate mare de energie nu prin atingere, ci prin radiație infraroșie invizibilă. Butonul de control pentru cât de bine radiază este dacă suprafața plăcii este strălucitoare și lustruită sau terasă și aspră. Acest lucru este semnificativ mai ales în sistemele de vid, încălzirea fără atingere și operațiunile la temperatură ridicată în care convecția este restricționată.

Radiația ca mod primar de transfer de căldură
La temperaturi ridicate, radiația termică este un mecanism dominant al transferului total de căldură. În aceste regimuri, performanța plăcilor de încălzire cu transfer radiativ de căldură este mai puțin determinată de calitățile materialului în vrac ale rugozității suprafeței și mai mult determinată de interacțiunea suprafeței cu lungimile de undă infraroșii.

Eficiența radiativă este cuantificată de emisivitate, care este o măsură a cât de eficient o suprafață radiază energie termică în raport cu un corp negru ideal.

Efect de emisivitate: Lustruit versus suprafețe rugoase
O suprafață metalică netedă reflectă energia infraroșie ca o oglindă. Cea mai mare parte a radiației incidente este reflectată, nu absorbită sau emisă. Astfel, emisivitatea rămâne destul de scăzută.

Pe de altă parte, o suprafață rugoasă introduce găuri și imperfecțiuni la scară micro-. Aceste caracteristici limitează radiația prin reflexii interne repetate și măresc eficiența absorbției și re-emisiei.

De fapt:

Emisivitatea unei plăci de aluminiu lustruit poate fi de până la ~0.05 .

De obicei, suprafețele de aluminiu oxidate sau ușor rugoase sunt în intervalul 0,2-0,3

Suprafețele foarte rugoase, cum ar fi suprafețele- sablate, pot îmbunătăți semnificativ emisivitatea efectivă

Ceea ce pare strălucitor pentru ochi este, de asemenea, strălucitor pentru radiația infraroșie, iar ceea ce pare plictisitor radiază bine. O suprafață rugoasă poate adesea de aproximativ patru ori transferul radiativ de căldură în comparație cu un echivalent lustruit în aceleași condiții.

Emisivitate ca parametru de proiectare termică
Adesea emisivitatea se numește culoarea termică a unei suprafețe. Este o măsură a participării unui material la schimbul radiativ, nu culoarea vizuală.

Câteva lucruri de reținut:

Dependența de emisivitate de temperatură și lungime de undă

Oxidarea suprafeței poate modifica semnificativ performanța radiativă în timp

Emisivitatea măsurată nu depinde de caracteristicile de rugozitate precum Ra și necesită aparate speciale.

Pentru sistemele cu temperatură înaltă, emisivitatea este la fel de semnificativă ca și conductibilitatea atunci când vine vorba de comportamentul general de încălzire.

Efectul tratamentelor de suprafață și al acoperirilor
Comportamentul radiativ poate fi dominat de acoperirile de suprafață, indiferent de finisajul substratului de bază.

Acoperirile PTFE au de obicei emisivitati de ordinul a ~0,9.

Acoperirile ceramice ajung de obicei la 0,8

Valorile sunt destul de consistente pentru diferite finisaje ale metalelor de bază

În cazul utilizării unei plăci de încălzire acoperite, starea acoperirii poate depăși efectiv influența rugozității substratului.

Dar pentru plăcile metalice goale, tratamentul mecanic al suprafeței rămâne o modalitate fundamentală de a regla performanța radiativă.

Efectul asupra eficienței de încălzire și asupra designului procesului
O emisivitate mai mare crește imediat eficiența transferului de energie în cuptoarele cu vid, sistemele de încălzire cu infraroșu și aplicațiile termice fără-contact. O suprafață mai aspră va duce la o cuplare radiativă crescută la sarcină, rezultând rate de încălzire mai rapide.

Dar pot exista compromis-cum ar fi:

Sensibilitate crescută la oxidare la temperaturi ridicate

Potențialul de fluctuație a emisivității de viață lungă

Reflexanță mai scăzută în aplicații care implică ecranare controlată împotriva radiațiilor

Rezumat
Controlul rugozității suprafeței oferă o modalitate pasivă simplă de a regla comportamentul transferului de căldură radiativ în plăcile de încălzire, în special la temperaturi ridicate, când domină radiația. O suprafață rugoasă crește emisivitatea și crește eficiența transferului de energie. Suprafețele lustruite reflectă pentru a reduce puterea radiativă.

Fiecare suprafață are propria sa personalitate termică, o funcție a emisivității sale, iar aceasta devine o pârghie cheie de proiectare în sistemele de inginerie termică de înaltă temperatură.