Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии термообработки зерна 10
1.1 Способы тепловой обработки зернового сырья 10
1.2 Теоретические основы инфракрасной (ИК) обработки пищевых продуктов 11
1.3 Применение ИК обработки в традиционных технологиях переработки зерна 15
1.4 Применение ИК обработки в производстве нетрадиционных продуктов питания на зерновой основе 21
1.5 Современное состояние технологии и техники ИК обработки пищевых продуктов 25
1.5.1 Условия облучения пищевых продуктов в ИК установках 25
1.5.2 Выбор параметров рационального расположения излучателей в ИК установках 31
1.5.3 Осциллирующие режимы энергоподвода в ИК установках 36
1.5.4 Лучистый теплообмен в рабочих камерах ИК установок 37
1.6 Практические возможности применения ИК техники для термообработки зернового сырья в России 42
Цели и задачи исследования 45
Глава 2. Экспериментальные установки для исследования теплофизических, оптических характеристик зерна и процесса его тепловой обработки 47
2.1 Экспериментальная установка для комплексного исследования теплофизических характеристик зернового сырья 47
2.2 Экспериментальная установка для исследования спектральных терморадиационных характеристик зерна 52
2.3 Экспериментальная установка для исследования процесса тепловой обработки зерна при ИК-энергоподводе 58
Глава 3. Методики экспериментального исследования теплофизических, оптических характеристик зерна и процесса его термообработки 67
3.1 Методика экспериментальных исследований теплофизических характеристик зернового сырья 67
3.2 Методика определения спектральных терморадиационных характеристик зерна 68
3.3 Методика выбора рационального типа ИК-генератора для тепловой обработки зерна 71
3.4 Методика экспериментальных исследований процесса тепловой обработки зерна при ИК-энергоподводе 75
3.5 Технический анализ зерна 77
Глава 4. Аналитические исследования полей энергетического облучения от ИК-генераторов с криволинейными рефлекторами 78
4.1 Аналитические исследования полей энергетического облучения от трубчатых излучателей с плоско-параллельным рефлектором 78
4.2 Аналитические исследования полей энергетического облучения от трубчатых излучателей с параболическим рефлектором 80
4.3 Аналитические исследования отражательных свойств материалов и выбор их для изготовления рефлекторов 86
4.4 Аналитическое исследование полей энергетического облучения на конвейере от блоков ИК- излучателей с плоскими и параболическими рефлекторами 92
4.5 Аналитическое исследование поперечной неравномерности полей энергетического облучения на конвейере от блоков ИК- излучателей с плоскими и параболическими рефлекторами 105
Глава 5. Аналитическое исследование внутреннего тепло- и массопереноса в слое зерна при ИК-энерговодводе 110
5.1. Математическая модель кинетики прогрева и убыли влаги в слое зерна при ИК-энергоподводе 110
5.2 Математическое моделирование процесса тепловой обработки слоя зерна при ИК-энергоподводе 114
Глава 6. Экспериментальные исследования теплофизических, оптических характеристик зерна и процесса его термообработки 128
6.1 Исследования теплофизических характеристик зерна 128
6.2 Исследования спектральных и интегральных терморадиационных характеристик зерна 131
6.3 Выбор рационального типа ИК-генератора для тепловой обработки зерна 149
6.4 Исследование полей энергетического облучения от блоков ИК-излучателей с плоскими и параболическими рефлекторами 155
6.5 Исследование процесса тепловой обработки зерна при ИК-энергоподводе 158
Глава 7. Практические рекомендации и реализация результатов выполненных исследования 164
7.1 Методика комплексного инженерного расчета ИК-установки с параболическими отражателями для термообработки зернового сырья 164
7.2 Разработка опытно- промышленной установки для термообработки зернового сырья 176
7.3 Практическая проверка рекомендаций выполненных исследований 179
7.3.1 Опытно-промышленная проверка работы нагревательных блоков ИК-установки 179
7.3.2 Опытно-промышленная проверка осциллирующего режима работы ИК-установки 181
7.3.3 Опытно-промышленная проверка процесса тепловой обработки зернового сырья при ИК-энергоподводе 183
7.4 Практическое применение ИК-установки для термообработки зернового сырья в составе технологической линии по производству хлопьев из гороховой крупы 190
Основные выводы и результаты работы 192
Литература 195
Приложения 210
Приложение 1
- Теоретические основы инфракрасной (ИК) обработки пищевых продуктов
- Экспериментальная установка для исследования спектральных терморадиационных характеристик зерна
- Методика экспериментальных исследований процесса тепловой обработки зерна при ИК-энергоподводе
- Аналитические исследования отражательных свойств материалов и выбор их для изготовления рефлекторов
Введение к работе
Решение проблемы обеспечения населения РФ качественными и экологически безопасными продуктами питания требует развития перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса на основе совершенствования существующих и создания новых энерго-, ресурсосберегающих экологически чистых теплотехнологий. При этом необходимо создание высокопроизводительного оборудования, способного обеспечить глубокую, а при возможности и безотходную, переработку исходного сырья.
Одним из направлений в развитии технологии переработки зернового сырья является производство новых видов продуктов, не требующих длительной кулинарной обработки, а также создание комбинированных пищевых продуктов с заданными свойствами с целью расширения ассортимента и снижения себестоимости выпускаемой продукции.
Одним из методов, позволяющих решить поставленные задачи, является внедрение в производство метода инфракрасной (ИК) обработки -экологически безопасного, энергосберегающего, позволяющего получить легко усвояемые и термостерилизованные продукты, а также обеспечить интенсификацию и углубленную обработку исходного сырья.
Однако отсутствие серийно выпускаемого ИК- оборудования сдерживает внедрение в пищевую промышленность широкого спектра, разработанных к настоящему времени, теплотехнологий по переработке зернового сырья с применением ИК-энергоподвода.
Это обусловлено как недостаточной изученностью преимуществ использования ИК техники в пищевых производствах, так и слабым представлением об инфракрасной технике производственников. Кроме того, создание современного ИК оборудования требует углубленного изучения как аналитического, так и экспериментального процессов, протекающих в ИК установках - теплообмена излучением в рабочих камерах, переноса энергии в поглощающих средах, тепло- и массопереноса в объектах термообработки. Знание этих закономерностей, а также сокращение сроков перехода от экспериментальных моделей к промышленным установкам и разработка надежных инженерных методов расчета, учитывающие специфику процесса и кинетику его протекания, позволяет научно обоснованно решать вопросы создания высокоэффективного оборудования с ИК-энергоподводом.
Таким образом, разработка и создание серийно выпускаемого ИК-оборудования, позволяющего внедрить в пищевую промышленность широкий спектр, разработанных к настоящему времени, теплотехнологий по переработке зернового сырья является в настоящее время весьма актуальной задачей.
В основу данной работы положены научные достижения современной теории распространения излучения в светорассеивающих материалах и современные экспериментальные методы изучения их оптических характеристик. Работа является продолжением и развитием экспериментальных и теоретических исследований, проводимых в МТИПП А.С.Гинзбургом, С.Г.Ильясовым, В.В.Красниковым, Н.Г.Селюковым, Е.П. Тюревым, и в МГУ 1111 акад. Ю.М. Плаксиным.
Теоретические основы инфракрасной (ИК) обработки пищевых продуктов
Метод ИК-облучения, являющийся одним из перспективных физических методов обработки пищевых продуктов, находит все большее применение в различных отраслях пищевой промышленности: кондитерской, консервной, пищеконцентратной и др. ИК-облучение применяется в таких технологических процессах, как нагрев, сушка, термообработка зернового сырья, выпечка, обжарка, бланширование. Отмечается рентабельность применения данного метода в пищевой промышленности, положительное влияние ИК-обработки на пищевые продукты [64].
В числе основополагающих теоретических исследований особое место занимают работы А.В. Лыкова, направленные на научное обоснование метода и выявление особенностей процессов тепло- и массообмена в материалах при ИК-облучении [75-79].
Исследованию ИК-методов подвода энергии при сушке и термообработке пищевых продуктов и других материалов посвящены работы А.С.Гинзбурга, С.Г.Ильясова, В.В.Красникова, Н.Г.Селюкова, Е.П. Тюрева, Ю.М. Плаксина [30-39,47,56-58,91-94].
Под инфракрасным излучением принято понимать невидимую глазом область излучения, примыкающую к красному спектру видимого светового излучения, с длиной электромагнитных волн от 0,76 до 400-500 мкм. Иногда выделяют в области инфракрасного излучения зону субинфракрасных лучей, генерируемых инфракрасными лампами, длина волны основной части излучения которых составляет от 0,76 до 5,3 мкм.
Инфракрасные лучи отличаются от других электромагнитных колебаний частотой, длиной и скоростью распространения волн. Тепловое воздействие инфракрасных лучей объясняется в настоящее время двойственностью электромагнитного поля или волновой природой квантов. При этом источник излучения создает электромагнитное поле, служащее носителем энергии; тепловая энергия передается с помощью этого поля и поглощается предметами окружающей среды, т.е. атомами облучаемого вещества [35].
При поглощении энергии повышается уровень собственных колебаний атомов, что означает превращение энергии излучения в тепловую энергию. От общего количества подводимой к облучаемому предмету энергии излучения в единицу времени одна часть поглощается, другая - отражается и третья -пропускается телом. Большинство влажных продуктов обладает высокой способностью к поглощению; она зависит, однако, от строения поверхности, химического состава и формы тела [57].
Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности для процессов, связанных с прогревом материалов (выпечки, обжарки, сушки, термического воздействия на зерно и на муку), является проникновение в них на некоторую глубину лучистого потока. Глубина проникновения инфракрасных лучей в прогреваемый материал, зависит от его свойств, структуры и характера поверхности, а также от длины волны излучения [36, 95].
Для таких коллоидных капиллярно-пористых продуктов как тесто, хлеб, мука или зерно, глубина проникновения ИК-лучей может быть от десятых долей до нескольких ( 7) миллиметров [97,98].
Считают, что глубина проникновения в продукт инфракрасных лучей тем больше, чем меньше величина длины волны излучения. Особенностью передачи тепла материалам, нагреваемым инфракрасным излучением, по сравнению с конвективной передачей, является возможность создания во много раз большей плотности потока тепла. Это позволяет достичь значительно больших скоростей прогрева материала [42].
Специфическое воздействие ИК-излучения на пищевые продукты растительного и животного происхождения связано с интенсификацией процессов биохимических превращений вследствие резонансного воздействия поглощаемой энергии на связи, атомов в молекулах, частоты колебаний которых совпадают или кратны частоте падающего ИК-излучения. Энергия отдельных химических связей соизмерима с энергией фотонов ИК-излучения. Так, при Х 1,0 мкм энергия фотона Е = hv , 2,10"19Дж, а энергия химической связигруппы С-С составляет порядка 2,10"19Дж, для группы О-Н -в пределах (0,32 0,46) 10"19Дж. Поэтому ИК-излучение, вызывая интенсификацию колебанийопределенных групп атомов в молекуле и этим способствуя ускорениюбиохимических превращений, способно оказывать определенное воздействие.В работах Л.Н.Ауэрмана, А.С.Гинзбурга и других отмечено, что хлеб,выпеченный при ИК-облучении, имел более мелкую и тонкостеннуюпористость, чем при обычной выпечке. Приготовленное тесто из проросшего,но ИК-облученного зерна и выпеченный хлеб были также высокого качества.Биологическое воздействие ИК-излучения дает возможность произвестидезинсекцию зерна, не прогревая его выше допустимого предела, так каквредители сильнее поглощают ИК-излучение, чем зерно [45].
Источниками ИК-излучения являются тела, нагретые до соответствующей температуры. Чем выше температура нагрева определенного тела, тем меньше длина волн излучения. Так, например, если бы в качестве генератора ИК-излучения применяли нагретое абсолютно черное тело, то длина волны максимума излучения была бы равна при нагреве излучающего тела до 300 К -9,6 мкм ; до 500 К - 5,7; до 700 К - 4,1; до 1000 К - 2,8; до 1500 К - 1,85; до 2000 К - 1,44; до 3000 К - 0,85 мкм. В технике в качестве генераторов ИК-излучения используют лампы инфракрасного излучения (светлые излучатели), нагреваемые до соответствующей температуры, керамические или металлические плиты, трубы и др. (темные излучатели) или специальные беспламенные газовые горелки [17].
Разработанные В.В.Красниковым и С.Г.Ильясовым теоретические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов включают в себя установленные закономерности переноса энергии спектрального и интегрального излучения, методы определения основных характеристик поля излучения в продуктах и экспериментальные методы измерения спектральных и интегральных терморадиационных характеристик продуктов при различныхусловиях облучения в промышленных ИК-установках [56].
В результате широко поставленных комплексных исследований, установлены основные закономерности переноса энергии излучения в пищевых продуктах (зерно, мука, тесто, хлеб, крахмал и др.), а также выявлено взаимное влияние переноса энергии и тепломассопереноса при ИК-облучении, что дало возможность использовать разработанные теоретические основы для рационального управления в промышленных терморадиационных установках различными технологическими процессами: сушки, выпечки, обжарки и др. [33].
Созданная на основе разработанных методов спектральная измерительная аппаратура, внедренная в МГАПП, находит в течение ряда лет практическое использование в научных исследованиях институтов и организаций пищевой промышленности [68, 69].
Е.П.Тюревым научно обоснованы и разработаны методы и устройства для комплексного изучения оптических свойств материалов, рассеивающих излучение. Создана спектральная аппаратура для определения терморадиационных характеристик пищевых продуктов в процессе РЖ-облучения при различных температурах и условиях облучения с учетом размытия сечения и рассеяния направленного потока излучения в исследуемых материалах [112].
Терморадиационные и оптические свойства изучались для продуктов с различной структурой тканей. Исследование терморадиационных и оптических характеристик морфологических составляющих (оболочки, цветковой пленки, эндосперма) зерна выявило, что различие оптических свойств зерна разной консистенции обусловлено различием оптических свойств его эндосперма [114].
Применение ИК-излучения позволяет значительно интенсифицировать процессы теплотехнологической обработки пищевых продуктов, повысить качество готовой продукции, снизить потери сырья при переработке, степень
Экспериментальная установка для исследования спектральных терморадиационных характеристик зерна
При выборе ИК-генератора и для расчета лучистого теплообмена в инфракрасных установках при термообработке зернового сырья ИК-излучением необходимо знать его терморадиационные характеристики (ТРХ): пропускательную Тд, отражательную RA и поглощательную Ад способности [58,66,108].
Для обеспечения равномерного объемного прогрева облучаемого зернового сырья необходимо определить диапазон длин волн ИК-спектра, в пределах которого исследуемые материалы имеют меньшую спектральную отражательную способность RA и большую спектральную пропускательную способность Тд. Известно множество методов и устройств, применяемых при исследовании ТРХ материалов [3,107,109].
В работе [92] произведен анализ методов измерения спектральных пропускательной Тд, отражательной Ri способностей материалов. Все существующие методы позволяют только раздельно измерять полусферические Тд и RA материалов. При раздельных измерениях Тд и Ra влажных материалов возникают ошибки, обусловленные тем, что в процессе эксперимента в них изменяется распределение влаги и плотности по толщине слоя. Однолучевые методы измерения Тд и RJ имеют большую длительность эксперимента, но учитывают поглощения углекислым газом атмосферы и парами воды, предъявляют высокие требования к постоянству температуры источника излучения, коэффициента усиления приемно-регулирующего устройства, стабильности последнего и линейности в широком интервале длин волн. На основании изложенного следует, что при экспериментальном исследовании оптических свойств материала необходимо одновременно измерять Тд и Ri двухлучевым методом.
В.В. Красниковым и С.Г. Ильясовым разработан метод одновременного измерения Тд и RA. Данный метод, как отмечают авторы, требует наличия двух совершенно одинаковых образцов для одновременных измерений Тд и Rx В описанном методе приемником излучения является фотоэлемент типа ФЭСС У10, поэтому измерения ТД и 1Ъ проводятся в ограниченном диапазоне длинволн (0,4 - 1,4) мкм, [56], недостатком является также высокая длительностьэксперимента (более 30 мин.) и различие условий освещения поверхностифотоэлемента, регулирующего прошедшее сквозь образец (эталон) излучение.С целью повышения точности и сокращения длительности определенияполусферических отражательной Ra и пропускательной ТЛ характеристиксветорассеивающих материалов используется установка для определенияоптических характеристик зернового сырья [93]. В нашей установкеизмерение спектральных оптических характеристик осуществляется в дваэтапа: 1) определяют суммарную спектральную отражательную способностьисследуемого образца путем сравнения отраженного лучистого потока случистым потоком непосредственно от излучателя, 2) измеряют отношениелучистого потока, прошедшего через образец к отраженному лучистомупотоку, при этом спектральные пропускательные и отражательныеспособности материала рассчитывают по формулам, соответственно: T\i и Tj43 - спектральные пропускательные способности стекол кюветы;
Kj, 1+2+3 - отношение лучистого потока, прошедшего через образец, к отраженному лучистому потоку.На рис.2.3.1 изображено устройство для определения оптических характеристик зернового сырья.
Установка для определения оптических характеристик зернового сырья содержит источник излучения 1, два световода 2 и 3, изготовленные из стекла KRS-5 с границами пропускания 0,6- 38 мкм, оптическую приставку 4 и двухлучевой спектрофотометр 5, которые соединены между собой при помощи рабочего канала 6 и канала сравнения 7, заслонку 8. Приставка 4 состоит из эллипсоидов вращения 9 и 10 с внутренним серебряным покрытием, которые смонтированы на подвижных платах и перемещаются по вертикали и вдоль приставки, кюветы 11, которая с образцом перемещается в направляющих и может быть закреплена на любом уровне, подвижного экрана 12, параболических зеркал 13 и 14 с фокусным расстоянием 40 мм, фокальными плоскостями которых являются плоскости F2 и F 2, при этом фокусы параболических зеркал 13 и 14 и их центры расположены на продолжении большой оси зеркальных эллипсоидов вращения 9 и 10, благодаря чему достигается равномерность освещения плоских зеркал 15,16, 17 и 18, расположенных в приставке 4, и параллельность лучей в каналах 6 и 7. Каждое из зеркал 15,16,17 и 18 имеет четыре степени свободы, параболические зеркала 13 и 14 снабжены также шаровым шарниром.
В спектрофотометре 5 для равномерного освещения щелей по высоте установлены сменные линзы 19, 20 и 21, компенсирующие клинья 22 и 23, которые уравнивают мощность световых потоков в рабочем канале бив канале сравнения 7, плоские зеркала 24, 25, 26, 27, 28, 29 укреплены на шаровых шарнирах, прерыватель 30, который обеспечивает поочередное направление лучей из рабочего канала 6 и канала сравнения 7 на приемник 31,
Методика экспериментальных исследований процесса тепловой обработки зерна при ИК-энергоподводе
После предварительной подготовки, зерно взвешивали на электронных аналитических весах Scout П. Далее, в соответствие с расчетной формулой (3.4-1), зерно увлажняли, добавляя определенное количество воды, для получения требуемой влажности.wmpe6 требуемая влажность зерна, доли ед. (или %); wHm - начальная влажность зерна, доли ед. (или %).
Воду добавляли с помощью распылителя, для обеспечения равномерного увлажнения зерна. После этого увлажненное зерно помещали в герметичные емкости и выдерживали в течении 72 ч при температуре +(3-5)С для установления равновесной влажности. После этого с помощью прибора «Фауна» измеряли действительную влажность зерна, которая в пределах погрешностей совпадала с расчетными значениями. Технические характеристики прибора «Фауна» приведены в таблице 3.4.1.
Таблица 3.4.1 Технические характеристики прибора «Фауна». Далее зерно вторично взвешивали и распределяли по навескам 200г.
После этого навеску зерна тонким слоем равномерно распределяли насетчатом поддоне в термокамере и, при заданных экспозициях, слой зерна подвергался ИК-облучению. Температуру поверхности зерна, находящегося в рабочей камере установки, измеряли неконтактным инфракрасным термометром Raytek MiniTemp FS. Температуру центра зерновок определяли как средневзвешенную температуру калориметрическим способом [32]. Динамику изменения убыли массы в процессе ИК-обработки осуществляли с помощью устройства автоматического взвешивания, разработанного на базе электронных аналитических весов Scout П. Продолжительность ИК-обработки различных материалов при заданной плотности потока РЖ-излучения определяется временем достижения заданной температуры в центре зерновки и на ее поверхности. Для определения заданной производительности ИК-установки варьировали: S толщину слоя зерна; S время ИК-облучения; S высоту размещения блока с ИК-генераторами относительно слоя зерна (т.е. пространственную энергетическую облученность); S напряжение на клеммах ИК-генераторов (т.е. мощность ИК энергоподвода). Результаты экспериментальных исследований обрабатывались в виде кривых кинетики нагрева, убыли влаги в материале в процессе ИК-обработки. Определение истинных значений измеряемых величин проведено согласно методам математической обработки экспериментальных данных. Необходимое число повторностей эксперимента определено по методике, изложенной в работах [41,83], с помощью распределения Стьюдента при уровне надежности 0,95 и допустимой ошибке 5%. В работе мы использовали зерно следующих культур: мучнистая пшеница «Сибирская - Ульяновская», стекловидная пшеница «Мироновская-808», рис «Краснодарский - 424», соя «Дальневосточная», ячмень рядовой. Технический анализ зерна проводили в соответствии с ГОСТ 9353-90 «Пшеница. Требования при заготовках и поставках.», ГОСТ 28672-90 «Ячмень. Требования при заготовках и поставках.», ГОСТ 17109-88 «Соя. Требования при заготовках и поставках». Определяли: влажность - по ГОСТ 13586.5-85; запах и цвет - по ГОСТ 10967-75. Основными особенностями ИК-облучения зернового материала является несущественное собственное излучение объектов нагрева, поскольку их температура обычно не превышает 470—620К, и, соответственно, возможность учета только первого отражения энергии излучателя от рефлектора [117]. В этом случае и далее будем рассматривать лишь зеркальное отражение от рефлектора, а отражением объектов ИК-нагрева в первом приближении пренебрежем [63]. Рассмотрим наиболее простой и распространенный случай цилиндрических линейных излучателей с плоскопараллельным зеркальным рефлектором, рис.4.1.1. Рис.4.1.1. Расчетная схема для случая цилиндрических линейных излучателей с плоскопараллельным зеркальным рефлектором. 1 — излучатель; 2 — плоскость объекта нагрева; 3 — рефлектор; 1 -изображение излучателя в рефлекторе. Расчетная схема приведена для случая излучателя с плоскопараллельным рефлектором, при допущении, что L H, где L —длина 79 излучателя, Н - расстояние от излучателя до облучаемой плоскости объекта нагрева. Поле энергетического облучения от отдельного цилиндрического излучателя без рефлектора составит: где х— расстояние между излучателем и полоской по оси X. Представим геометрические параметры схемы в безразмерном виде: Поле энергетического облучения в интервале (0,/4) от излучателей Согласно методу изображений, отраженный от рефлектора поток можно представить потоком от фиктивных излучателей / , ослабленным на коэффициент отражения рефлектора R [5]. Поле энергетического облучения отраженного потока: (1 + 2/Г)Ш? Расчет по формулам (4.1.5) и (4.1.6) позволяет анализировать неравномерность распределения облученности по оси X. Например, для нагревательного блока с тремя излучателями (/ = 3) максимум этой неравномерности изменяется от 0 до 40% при изменении S от 0 до 3 и при изменении коэффициента отражения рефлектора R от 0,5 до 0,9 и h от 0,1 до 1,0. Наличие рефлектора дает улучшение равномерности (от 0 % при S 0 до 3— 5 % при S = 3) и значительное повышение КПД.
Аналитические исследования отражательных свойств материалов и выбор их для изготовления рефлекторов
Использование общей электромагнитной и квантовой теории отражения излучений металлами в инженерной практике затруднительно из-за трудностей определения с необходимой точностью фундаментальных констант (показателей преломления и поглощения). На базе этой теории для гладких поверхностей металлов были выведены зависимости для нормальных спектрального R и интегрального Rx коэффициентов отражения [52,108]:
Эти зависимости справедливы для ИК-излучения в диапазоне длин волн 10 Л 0.1мкм. Непосредственное и косвенное через р влияние температуры поверхности на отражение в формуле (4.3.1-4.3.2) свидетельствует о целесообразности эффективного охлаждения рефлекторов для увеличения их отражательной способности. Основными причинами охлаждения являются предотвращение резкого снижения R (в результате окисления,интерметаллических взаимодействий) и желание снизить тепловую инерционность ИК-установки. На КПД ИК-установки нагрев рефлекторов влияет положительно [40]. Но, с другой стороны, это явление обусловливает необходимость разработки систем охлаждения, которые обеспечивали бы равномерную температуру всей отражающей поверхности.В ИК области спектра с увеличением электропроводности металлов их отражательная способность увеличивается. Среди чистых металлов серебро, медь, золото, алюминий являются лучшими отражателями, а среди технических марок металлов лучшим отражением обладают марки с наименьшим содержанием примесей[53].
На рис. 4.3.1 приведены нормальные коэффициенты отражения RnX длянапыленных в вакууме зеркальных покрытий в спектральном диапазоне 0,7— 5 мкм, соответствующем 95 % энергии излучения ИК-излучателей при температуре порядка 2500 К. Эти значения можно считать эталонными или предельно достижимыми для данного материала. Поэтому при пользовании приведенными данными необходимо учитывать, что для монолитных и электролитически нанесенных отражающих поверхностей рефлекторов значения коэффициентов отражения всегда будут ниже эталонных на 6—8 %. Таким образом, чистые металлы с высокой электропроводностью имеют высокую отражательную способность для ИК излучения в энергетически важной области спектра Л =(1,5-10) мкм.
Алюминий имеет ослабление отражения в области Л =(0,6-1.5)мкм, а в видимой и ультрафиолетовой областях спектра он превосходит по коэффициенту отражения любой металл. Обычно диэлектрики принято считать плохими отражателями для рассматриваемой области ИК спектра. Вместе с тем известно применение мелкодисперсных металлических окислов как эталонов «белых» и диффузно отражающих поверхностей (как правило, для видимой области спектра). Имеется эпизодическое сообщение об использовании пористой силикатной керамики в ИК-нагревателях вместо золоченого водоохлаждаемого рефлектора из коррозионно-стойкой стали. В работах [86,96] приводятся сведения о высокой отражательной способности силикатной керамики в области Я=(0,4-1,0)мкм. Силикатная керамика обладает высоким коэффициентом отражения (R 95 %) и почти идеальной диффузной индикатрисой отражения, которая сохраняется и в ближней ИК области спектра до Я=(3.0-3.5)мкм. В области Л = 2,72 мкм отмечается повышенное поглощение, связанное с наличием гидроксильных групп.
Таким образом, с учетом положительного влияния диффузного характера отражения на равномерность нагрева, а также отсутствия необходимости водяного охлаждения пористая силикатная керамика (в частности, шамотный кирпич) может служить материалом, конкурирующим с металлами при выборе рефлекторов для ИК-установок.
Другой характеристикой материала, применяемого для изготовления рефлектора, является его шероховатость. Шероховатость также влияет как на полную величину отражения, так и на распределение отражения по направлениям, т. е. на индикатрису отражения [52, 108]. При анализе влияния шероховатости на отражение обычно рассматривают два механизма отражения [111]. Первый из них имеет место при размерах неровностей, значительно превышающих длину падающей волны. Он заключается в уменьшении полного отражения поверхности за счет перераспределения локальных отражений от элементарных зеркальных поверхностей, образованных неровностями. Если же неровности становятся сравнимыми повеличине с длиной падающей волны, то начинают играть роль дифракционныеэффекты. оэтому взаимодействие излучения с шероховатой поверхностьюпринято характеризовать величиной ст/Я, где а — среднеквадратичнаявысота шероховатости.
Для поверхности с Гауссовским распределением шероховатости повысоте согласно [15] характерным для технических поверхностей ипараметрами а и т (наклон неровностей), а также при условии г/А«1
Дэвисом предложена зависимость:отражения соответственно от шероховатой и идеальной гладкой поверхности; а — половина угловой апертуры измерительного прибора.
В уравнении (4.3.3) первый член соответствует зеркальной части (R3K)отражения, а второй — незеркальной. Коэффициент зеркального отражения излучения с длиной волны Л, падающего под углом р к нормали составляет:
В работе [15] показано, что при сг/Д 0,15 полное отражение при нормальном падении излучения равно полному отражению от зеркальной поверхности того же материала, а при о7Л 0,2 зеркальная составляющая отражения близка к нулю. На основании этих данных построена специальная номограмма для предварительной оценки характера отражения рефлекторами с различным параметром шероховатости Rz рис. 4.3.2. Номограмма позволяет определить области значений шероховатостей, соответствующих зеркальному, незеркальному и смешанному отражению. С ее помощью можно сделать оценку характера и величины отражения излучения известного спектрального состава от поверхности с заданным параметром шероховатости Rz. Для этого необходимо воспользоваться табл.4.3.1, в которой представлены рассчитанныедоли интегрального излучения характерных для отражательных объектов в диапазонах от некоторых конкретных X = 0,7; Л=1,3 и т. д. до X = со мкм.
Если поверхность имеет Rz = 0,09 мкм (см. рис.4.3.2), то от нее зеркально отразится 82,1 и 64.0 % энергии излучения КГТ-220-1000 (соответственно при температуре 1600 и 2200 К) и 98,4 % излучения кремния (1200 К) и 100 % излучения кварцевого стекла (1000 К), табл.4.3.1. При увеличении шероховатости вплоть до 0,7 мкм уровень отражения указанных долей излучения не будет ослабевать, однако направленный характер отражения изменится на рассеянный.
Из номограммы, рис. 4.3.2 следует, что для отражения излучения с длиной волны Я = (1.0-1.3) мкм, что соответствует Лвшк излучения КГТ-220-1000, повышение чистоты обработки поверхности рефлекторов с Rz=0,6 до Rz =0,07 мкм не приведет к заметному увеличению их КПД. Вместе с тем при этих изменениях Rz индикатриса отражения изменяется весьма существенно. Приведенные данные необходимы при расчетах лучистого теплообмена, когда выбирается модель отражения [109].
