High-temperature infrared emissivity of materials for alternative energy applications

xxv, 171 p.La emisividad es una propiedad termofísica que relaciona la cantidad de radiación térmica que emite un material con la radiada por un cuerpo negro. Se trata de una propiedad de gran importancia en ámbitos industriales y científicos, ya que condiciona las transferencias de calor en situaciones de alta temperatura o alto vacío. La presente tesis se divide en dos apartados fundamentales: por una parte, el desarrollo y mejora de métodos de medida de emisividad y, por otra, la aplicación de dichos métodos a la caracterización de materiales de interés industrial en el sector de las energías alternativas (solar térmica y nuclear de fusión). En primer lugar, se ha llevado a cabo una profunda revisión del aparato singular de medida de emisividad en la UPV/EHU, incluyendo mejoras instrumentales y metodológicas, así como un renovado análisis de sus fuentes de error. En segundo lugar, se han estudiado tres tipos de materiales: absorbentes solares selectivos multicapa para centrales solares térmicas de tubo, recubrimientos negros no selectivos para centrales de torre y una familia de aleaciones de vanadio para futuros reactores nucleares de fusión. El objetivo global de este trabajo es mejorar nuestro conocimiento sobre las propiedades de transferencia de calor por radiación de materiales clave para estos procesos energéticos alternativo

High-temperature infrared emissivity of materials for alternative energy applications

xxv, 171 p.La emisividad es una propiedad termofísica que relaciona la cantidad de radiación térmica que emite un material con la radiada por un cuerpo negro. Se trata de una propiedad de gran importancia en ámbitos industriales y científicos, ya que condiciona las transferencias de calor en situaciones de alta temperatura o alto vacío. La presente tesis se divide en dos apartados fundamentales: por una parte, el desarrollo y mejora de métodos de medida de emisividad y, por otra, la aplicación de dichos métodos a la caracterización de materiales de interés industrial en el sector de las energías alternativas (solar térmica y nuclear de fusión). En primer lugar, se ha llevado a cabo una profunda revisión del aparato singular de medida de emisividad en la UPV/EHU, incluyendo mejoras instrumentales y metodológicas, así como un renovado análisis de sus fuentes de error. En segundo lugar, se han estudiado tres tipos de materiales: absorbentes solares selectivos multicapa para centrales solares térmicas de tubo, recubrimientos negros no selectivos para centrales de torre y una familia de aleaciones de vanadio para futuros reactores nucleares de fusión. El objetivo global de este trabajo es mejorar nuestro conocimiento sobre las propiedades de transferencia de calor por radiación de materiales clave para estos procesos energéticos alternativo

Propiedades radiativas y ópticas de una herramienta de corte compuesta por nitruro de boro cúbico

Se ha medido la emisividad espectral (2,5-25 micras) normal de una herramienta de corte industrial, compuesta en un 55% por nitruro de boro cúbico (cBN), en el rango de temperaturas 200-1000 ºC. La emisividad medida muestra un comportamiento suavemente descendente al aumentar la longitud de onda, propio de metales, con un descenso pronunciado alrededor de 9 micras. Este valle se corresponde con la emisividad calculada para el cBN cúbico puro en la literatura, que sin embargo no exhibe el comportamiento metálico medido. Así mismo, se observa que la emisividad espectral es esencialmente independiente de la temperatura, aunque no así la emisividad total. Los resultados experimentales para el cBN puro indican que la reflectividad de dicho compuesto se puede explicar satisfactoriamente mediante un modelo de Lorentz para dieléctricos, mientras que el ajuste teórico de la reflectividad medida para la herramienta de corte necesita incluir una contribución del modelo de Drude para explicar el comportamiento metálico observado. Este modelo combinado se ajusta razonablemente bien a las medidas, y revela que la herramienta de corte se comporta como un semiconductor degenerado, con una alta densidad de portadores libres. Además, permite realizar una estimación teórica de sus constantes ópticas. Por último, se ha realizado un estudio sobre la medida y el control de la temperatura de la muestra, empleando distintos métodos de unión termopar

Experimental and numerical study of the emissivity of rolled aluminum

Directional spectral emissivity measurements on a rolled aluminum sheet are reported between 423 and 823 K in vacuum. The results are compared to available literature data and to theoretical predictions, revealing the crucial role of the surface state in explaining the observed scatter of values. In particular, it is argued that the cold-rolling process induces a multi-scale roughness profile that significantly enhances emission at all wavelengths, a phenomenon that can be described using rigorous coupled-wave analysis (RCWA). A small peak in the p-polarized component at oblique angles is formed by the native oxide layer. Aside from the intrinsic value of the emissivity data for the application of thermographic techniques to rolled aluminum materials, the results contained in this work also serve to validate the usefulness of RCWA to simulate the emissivities of randomly rough metal surfaces, highlighting directions of further research.This work was funded by the University of the Basque Country, Spain (GIU19/019) and the Basque Government, Spain (IT-1714-22 and PIBA-2021-1-0022). J. Gabirondo-López and I. González de Arrieta also acknowledge financial support from pre- and post-doctoral fellowships by these institutions (University of the Basque Country, Spain: PIF 21/06; Basque Government, Spain : POS-2021-2-0022). Technical support was provided by the SGIker service of UPV/EHU for the XPS analysis. Finally, the authors thank Jordan Edmunds for assistance with the RCWA code

Propiedades radiativas y ópticas de una herramienta de corte compuesta por nitruro de boro cúbico

Se ha medido la emisividad espectral (2,5-25 micras) normal de una herramienta de corte industrial, compuesta en un 55% por nitruro de boro cúbico (cBN), en el rango de temperaturas 200-1000 ºC. La emisividad medida muestra un comportamiento suavemente descendente al aumentar la longitud de onda, propio de metales, con un descenso pronunciado alrededor de 9 micras. Este valle se corresponde con la emisividad calculada para el cBN cúbico puro en la literatura, que sin embargo no exhibe el comportamiento metálico medido. Así mismo, se observa que la emisividad espectral es esencialmente independiente de la temperatura, aunque no así la emisividad total. Los resultados experimentales para el cBN puro indican que la reflectividad de dicho compuesto se puede explicar satisfactoriamente mediante un modelo de Lorentz para dieléctricos, mientras que el ajuste teórico de la reflectividad medida para la herramienta de corte necesita incluir una contribución del modelo de Drude para explicar el comportamiento metálico observado. Este modelo combinado se ajusta razonablemente bien a las medidas, y revela que la herramienta de corte se comporta como un semiconductor degenerado, con una alta densidad de portadores libres. Además, permite realizar una estimación teórica de sus constantes ópticas. Por último, se ha realizado un estudio sobre la medida y el control de la temperatura de la muestra, empleando distintos métodos de unión termopar