Потери на теплоизлучение

Потери на теплоизлучение в соответствии с законом Стефана— Больцмана пропорциональны коэффициенту черноты поверхности испаряемого металла и четвертой степени абсолютной температуры. Теоретический расчет затруднен отсутствием достоверных данных о степени черноты расплавленных металлов. Тем не менее приближенные расчеты показывают, что при температурах 1400—1800° С, применяемых в непрерывных линиях, потери на теплоизлучение составляют 10—15% подводимой к испарителю мощности.

Для анализа путей повышения к. п. д. электронно-лучевого испарителя необходимо рассмотреть зависимость полезной мощности и основных видов потерь от температуры испарения. В первом приближении потери на теплопроводность пропорциональны температуре, потери на излучение пропорциональны четвертой степени температуры, а зависимость полезной мощности от температуры выражается кривой, близкой к экспоненте. Таким образом, при повышении температуры полезная мощность растет быстрее, чем потери на теплопроводность и теплоизлучение, что приводит к увеличению к. п. д. Отсюда следует, что для повышения производительности установок следует идти по пути увеличения температуры испарения, а не площади испарителя. Температура испарения находится в сложной зависимости от плотности мощности и возрастает с увеличением последней. Плотность мощности, в свою очередь, обратно пропорциональна площади пятна, которое образует электронный луч на поверхности испаряемого металла. Увеличение диаметра пятна в 2 раза приводит к снижению температуры на 500° С.

Современные электронно-лучевые пушки позволяют достичь очень высокой плотности мощности и температуры, достаточной для плавления и испарения самых тугоплавких и труднолетучих материалов. Но опыт показал, что для каждого металла и конкретных условий испарения существует предельно допустимая плотность мощности и соответственно температура испарения. При очень большой удельной мощности нарушается равномерность испарения с поверхности, появляются пузыри пара и возникает разбрызгивание. Из-за ионизации паров металла образуются области с большим пространственным зарядом, нарушающие работу пушки. При слишком высокой температуре в пятне давление паров металла настолько возрастает, что металл вытесняется в стороны, и луч может проникать до основания тигля, разрушая его.

При испарении Аl вогнутость в зоне пятна появляется при давлении паров порядка 133 Па, что соответствует температуре 1500° С. Именно поэтому алюминий и используется при производстве баллонов для газа. Такие условия возникают при плотности мощности порядка 200 Вт/см2 в расчете на всю поверхность испарителя (плотность мощности в пятне приблизительно в 5 раз больше) для керамического тигля. При испарении из водоохлаждаемого тигля допустимая плотность мощности увеличивается в 10 раз, т. е. до 2000 Вт/см2, вследствие резкого уменьшения к. п. д. При испарении химически активных металлов, таких как Аl и Ti, следует учитывать, что повышение температуры испарения приводит к сокращению срока службы тигля. Так, в работе отмечается, что срок службы тигля обратно пропорционален его термическому к.п. д. Если к. п. д. составляет 40%, то металлокерамический тигель работает несколько недель, а при к. п. д. 70% — всего 15 ч.