In che modo la rugosità superficiale di una piastra riscaldante influisce sul trasferimento di calore radiativo alle alte temperature?

Al di sopra dei 300 gradi una piastra riscaldante trasferisce una grande quantità di energia non tramite il tatto ma tramite radiazioni infrarosse invisibili. La manopola di controllo per quanto bene si irradia dipende se la superficie della piastra è brillante e lucida o opaca e ruvida. Ciò è particolarmente significativo nei sistemi a vuoto, nel riscaldamento senza contatto e nelle operazioni ad alta temperatura in cui la convezione è limitata.

La radiazione come modalità primaria di trasferimento del calore
A temperature elevate la radiazione termica è un meccanismo dominante del trasferimento totale di calore. In questi regimi, le prestazioni delle piastre riscaldanti a trasferimento di calore radiativo sono meno determinate dalle qualità del materiale sfuso e dalla rugosità superficiale e più determinate dall'interazione della superficie con le lunghezze d'onda degli infrarossi.

L’efficienza radiativa è quantificata dall’emissività, che è una misura dell’efficienza con cui una superficie irradia energia termica rispetto a un corpo nero ideale.

Effetto emissività: superfici lucide e superfici ruvide
Una superficie metallica liscia riflette l'energia infrarossa come uno specchio. La maggior parte della radiazione incidente viene riflessa, non assorbita o emessa. Pertanto, l’emissività rimane piuttosto bassa.

D'altro canto, una superficie ruvida introduce fori e imperfezioni su scala micro-. Queste caratteristiche confinano la radiazione attraverso ripetute riflessioni interne e aumentano l'efficienza di assorbimento e riemissione.

Infatti:

L'emissività di una piastra di alluminio lucidato può essere pari a ~0.05 .

Tipicamente, le superfici di alluminio ossidate o leggermente irruvidite sono comprese tra 0,2 e 0,3

Le superfici molto irruvidite, come le superfici sabbiate-, possono migliorare notevolmente l'emissività effettiva

Ciò che sembra lucido alla vista lo è anche alla radiazione infrarossa, e anche ciò che sembra opaco si irradia bene. Una superficie ruvida può spesso quadruplicare il trasferimento di calore radiativo rispetto a un equivalente lucidato nelle stesse condizioni.

Emissività come parametro di progettazione termica
Spesso l'emissività è chiamata colore termico di una superficie. È una misura della partecipazione di un materiale allo scambio radiativo, non del colore visivo.

Alcune cose da tenere a mente:

Dipendenza dell'emissività dalla temperatura e dalla lunghezza d'onda

L'ossidazione superficiale può modificare significativamente le prestazioni radiative nel tempo

L'emissività misurata non dipende dalle caratteristiche di rugosità come Ra, e necessita di apparecchiature speciali.

Per i sistemi ad alta temperatura, l’emissività è importante quanto la conduttività quando si tratta del comportamento complessivo del riscaldamento.

Effetto dei trattamenti superficiali e dei rivestimenti
Il comportamento radiativo può essere dominato dai rivestimenti superficiali indipendentemente dalla finitura del substrato sottostante.

I rivestimenti in PTFE hanno tipicamente emissività dell'ordine di ~0,9.

I rivestimenti ceramici raggiungono tipicamente 0,8

I valori sono abbastanza coerenti tra le varie finiture dei metalli di base

Nel caso in cui si utilizzi una piastra riscaldante rivestita, le condizioni del rivestimento possono efficacemente superare l'influenza della ruvidità del substrato.

Ma per le piastre di metallo nudo, il trattamento meccanico della superficie rimane un modo fondamentale per ottimizzare le prestazioni radiative.

Effetto sull'efficienza del riscaldamento e sulla progettazione del processo
Un'emissività più elevata aumenta immediatamente l'efficienza del trasferimento di energia nei forni a vuoto, nei sistemi di riscaldamento a infrarossi e nelle applicazioni termiche senza-contatto. Una superficie più ruvida porterà ad un maggiore accoppiamento radiativo al carico, con conseguente velocità di riscaldamento più rapida.

Tuttavia potrebbero esserci dei compromessi-come:

Maggiore sensibilità all'ossidazione a temperature elevate

Potenziale di fluttuazione dell'emissività per una lunga durata

Riflettanza inferiore nelle applicazioni che prevedono la schermatura contro le radiazioni controllate

Riepilogo
Il controllo della rugosità superficiale fornisce un modo semplice e passivo per regolare il comportamento del trasferimento di calore radiativo nelle piastre riscaldanti, specialmente ad alte temperature quando domina la radiazione. Una superficie ruvida aumenta l'emissività e aumenta l'efficienza del trasferimento di energia. Le superfici lucide riflettono una minore emissione radiativa.

Ogni superficie ha una propria personalità termica, funzione della sua emissività, e questa diventa una leva progettuale fondamentale nei sistemi di ingegneria termica ad alta temperatura.