5-2.온도 방사 강도에 대해서

물체가 있는 온도가 되면 전자파(∼마이크로파∼가시빛∼적외선∼)의 형으로 방사에 의해 방열합니다. 주위보다도 고온의 물체로 방열되는 열 에너지의 비율은, 고온이어질 만큼 고율이어져, 500도이상에서는 이 방사가 많은 사람을 차지하는 모양이 됩니다. 500도이하에서는 대류나 전도에 의한 방열이 지배적입니다.

방사에 의한 방열은 물체의 온도를 T 〔K〕, 방사율을 100%로 하면

P=5.68×10-12 ×T4 [W/cm2]   (스테판보루쯔만의 식)

온도 방사 강도에 대해서1

여기에서 주의하지 않으면 안되는 것은, 상기의 값은 특수한 상황(주위온도가 절대로 0도의 경우)에서의 방사량이다라고 하는 것은 한다. 실제로는 주위온도가 절대로 0도라고 할 수는 있지 않고, 300K (27도)전후라든가의 값인 것이 보통입니다.

거기에서 주위온도를 T0 [K]로 했을 때의 물체로의 온도방사를 나타내는 도록(것같이) 스테판 볼트만의 식을 일반적인 형으로 한 것이 아래식입니다.

P=5.68×10-12×(T4 -T04 )  [W/cm2]

주위온도라고 하는 것은 엄밀하게는 정의가 어렵고, 이 식도 근사식이라고 생각해 주세요.

이 식으로부터 아는 것은, 물체온도와 주위온도의 차이가 제로라면, 온도방사에너지도 제로가 됩니다. 주위온도보다도 물체의 온도가 낮으면 식의 값은 마이너스가 됩니다. 이것은 물체에 열 에너지가 유입하는 것을 의미합니다.

최초의 스테판 볼쯔만의 법칙에 의한 방사식이 틀리고 있는 것이 아닙니다. 어떤 온도의 물체로는 반드시 방사가 나오고 있어, 상온이라도 약300K의 절대온도에 상당하는 방사가 나오고 있습니다. 단 주위온도가 절대로 0도가 아닌 한, 주위에서의 온도방사를 받습니다. 주위온도가 물체의 온도와 같으면 진퇴 제로가 되고, 물체로의 에너지의 출입은 없어집니다.

또 (방사는 온도에 4승에 비례하기 위해서) 물체의 온도가 주위온도에 비교해서 충분히 높으면, 물체로의 온도방사량은 주위온도의 영향이 대부분 무시할 수 있습니다. 그러나 물체온도와 주위온도의 차이가 작아지면 주위온도의 영향은 엄청난 것이 됩니다.

물체의 온도에 대한 방열량의 실측 데이터

이하는 실제가 있는 물체의 실온 25℃에서의 표면온도와, 거기에서의 방열량의 실측 데이터입니다.

가열 대상체와는 φ1의 철-크롬-알루미늄 선을 충분한 길이로 외경φ 23.5이 되게 밀착감고, 충분히 산화시킨 것으로 거무스름한 외관을 하고 있습니다. 방사율은 0.75∼0.8정도라고 추정되어, 스테인리스의 산화면과 거의 같은 정도의 방사율을 가지고, 실제의 많은 워크에 가까운 방열 특성일 것이다라고 생각합니다. 단 세라믹이나 광택이 있는 금속 등의 워크에서는 방열량이 더 낮은 값이 될 것입니다.

가열 대상물의 온도에 대한 방열량은 좁은 온도범위에서 대범하게 말하면 아래식에서 나타내집니다.

 P≒kTn
 P:방열량[w/cm2] k:상수
 T:물체의 온도[℃]→정확하게는 주위와의 온도차이δT

이 관계를 실측하고, 정리한 것이 다음 항의 그래프입니다. 단 지수n은 일정이 아니고, 아랫 그림의 파랑곡선과 같이 온도와 함께 변화됩니다. 이것은 방열이 전도, 대류, 방사를 합친 형으로 행하여져, 각각의 n은 전도가 거의 n=1, 대류가 거의 n=2, 방사가 거의 n=4이 됩니다. 온도가 낮을 만큼 열전도가 지배적이어서, 온도상승과 함께 대류에 의한 방열이 증가해도 좋은, 200도∼300도당에서 급격하게 방사의 비율이 증가해도 좋은, 500도이상에서는 이 방사가 지배적이어집니다. 그리고 몇천도이상에서는 방사가 대부분을 차지하는 모양이 됩니다. 즉 고온영역에서는 지수n은 4에 가까이 갑니다.

온도 방사 강도에 대해서2

온도측정은 700℃이상은 광고온계(CHINO IR-U)을 사용했습니다. 700℃이하는 열전쌍φ 0.32을 사용했습니다만, 열전쌍은 일반적으로 온도가 조금 낮게 측정된다 (측정 점이 열전쌍선자신으로 냉각되기 때문)의에서, 700℃이상에서의 광고온계의 값과 비교하고, 거기에서의 측정 온도의 양자비율이 700℃이하라도 적용할 수 있다고 해서 저온영역에서의 열전쌍의 측정 값을 보정했습니다.

이 보정 값은 +12%이었습니다. 이 것보다, 물체의 표면온도측정에 열전쌍φ 0.32을 사용했을 경우에는 약12% 조금 낮게 측정된다고 추정합니다. 열전쌍에서의 온도측정에는 이 점을 주의하지 않으면 안됩니다. 전열선 코일내에 열전쌍을 넣는다고 하는 방법도 있습니다만, 이 경우는 반대로 참된 표면온도보다도 측정 값이 높은 편에 나온다고 생각됩니다.

온도 방사 강도에 대해서3

물체의 온도가 상승해 가면, 윗그림 처럼 급격하게 방열이 증가해 갑니다.
그 물체를 원하는 온도에 유지하기 위해서는, 그 온도에 있어서의 온도방사기타의 방열량과 같은 만의 열 에너지를 계속해서 줄 필요가 있습니다.

예를 들면 공중에 보유된 얇은 판자를 가열할 경우, 그 방열 면적은 표리에서 계산하지 않으면 안됩니다. 1400℃에서의 온도방사는 약44 [W /cm2]입니다만, 이면을 더하면 약88 [W /cm2]의 방열이 됩니다.

그러나 이것은 방사율이 100%의 경우(카본 판자 등이, 이것에 가깝다)이며, 실제의 철판 등은 산화면의 경우라도 방사율 80%정도이므로 [그림-물체의 온도에 대한 온도방사량]의 값보다도 실제의 방열은 적다라고 말하게 됩니다.

단 방열은 방사에 의한 것뿐만 아니라 전도, 대류기타에 의한 방열도 겹칠 테니까, 적어도 윗그림의 값정도로 생각해 둔 분이 잘, 실제로는 더 방열이 클 경우가 적지 않습니다. 한편, 1200℃이하의 경우는 [그림-물체의 표면온도에 대한 방열량-저온영역]에 실측 데이터가 있으므로, 이 값을 사용해 주세요.

만일 포인트 히터로 1400℃에 가열하고 생각하면, 약90 [W /cm2]정도이상의 에너지 밀도를 주게 됩니다. 단 여기에서도 흡수율 (= 방사율)을 고려하지 않으면 안되고, 흡수율 80%로 하면 약110 [W /cm2]정도에 빛을 모아진 빛으로 가열 할 필요가 있습니다.

온도 방사 강도에 대해서4

표준적인 포인트 히터용 타원미러인 F값(f/D)이 0.5의 경우, 초점위치에서의 파워 밀도는

P≒ 0.8·Q· sin2θ [W/cm2] Q≒160 [W /cm2] 보다 약64 [W /cm2]

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