transferencia de calor por radiación
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Una breve presentación acerca de la transferencia de energia por radiacion termicaTRANSCRIPT
TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN
Camilo Andrés Cárdenas MedinaMaría Fernanda Vergara Mendoza
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
CONTENIDORADIACIÓN: PROCESOS Y
PROPIEDADES Introducción Conceptos Fundamentales Radiación de cuerpo negro Emisión superficial Absorción, reflexión y
transmisión superficiales Ley de Kirchoff
INTERCAMBIO DE RADIACIÓN
ENTRE SUPERFICIES Intercambio de radiación de
cuerpo negro Intercambio de radiación entre
superficies grises, difusas, en un recinto
Transferencia de calor por radiación2
INTRODUCCION
La radiación térmica es la radiación electromagnética emitida por un cuerpo como resultado de su temperatura.
La radiación no requiere la presencia de un medio entre el sistema y sus alrededores.
Transferencia de calor por radiación3
Tomado de: “Primera ley de la termodinámica”. Manuel Cabarcas
CONCEPTOS FUNDAMENTALES
La presencia del vacío evita la perdida de energía por conducción y convección.
La radiación se puede ver como la propagación de ondas electromagnéticas o la propagación de una acumulación de fotones.
Transferencia de calor por radiación4
Tomado de: http://www.astrocosmo.cl
Cumpliendo:
Transferencia de calor por radiación5
Efectos espectrale
s
Efectos direcciona
les
Transferencia de calor por radiació
n
Tomado de: Fundamentos de transferencia de calor. INCROPERA
CONCEPTOS FUNDAMENTALES
INTENSIDAD DE RADIACIÓN
La radiación que emite una superficie se propaga en todas las direcciones posibles, estos efectos direccionales se pueden tratar mediante la intensidad de radiación.
Transferencia de calor por radiación6
Tomado de: Fundamentos de transferencia de calor. INCROPERA
Transferencia de calor por radiación7
Intensidad espectral
El flujo de radiación espectral asociado con dA1
INTENSIDAD DE RADIACIÓN
Al conocer es posible hallar el flujo de calor asociado con la emisión en cualquier ángulo solido finito integrando
Transferencia de calor por radiación8
Para hallar el ángulo solido asociado con todo el hemisferio integramos
Siendo
El flujo total de calor asociado con la emisión en todas las direcciones y en todas las longitudes de onda es:
INTENSIDAD DE RADIACIÓN
RELACIÓN CON LA EMISIÓN
Transferencia de calor por radiación9
Potencia emisivaCantidad de radiación emitida por área superficial unitaria.
Potencia espectral emisiva
Potencia emisiva total hemisférica
Emisor Difuso: La intensidad de radiación emitida es independiente de la dirección.
RELACIÓN CON LA EMISION EJEMPLO: Se sabe que una superficie de área A1=10-3m2 emite de
forma difusa y que la intensidad total asociada con la emisión en la dirección normal es In=7000 W/m2.sr . La radiación emitida desde la superficie es interceptada por otras tres superficies de áreas A2=A3=A4=10-3m2, que están a 0,5m de A1. ¿Cuál es la intensidad asociada con la emisión en cada una de las tres direcciones? ¿Cuáles son los ángulos sólidos subtendidos por las tres superficies cuando se ven desde A1? ¿Cuál es la rapidez a la que la radiación emitida por A1 es interceptada por las tres superficies?
Transferencia de calor por radiación10Tomado de: Fundamentos de transferencia de calor. INCROPERA
RELACIÓN CON LA EMISIONSOLUCIÓN
Transferencia de calor por radiación11
1) I=7000 W/m2.sr Para cada una de las 3 direcciones (emisor difuso).
dAn es la proyección de la superficie normal a la dirección de radiación.
2)
Tomado de: Fundam
entos de transferencia de calor. INCRO
PERA
Transferencia de calor por radiación12
RELACIÓN CON LA EMISIONSOLUCIÓN
3)
Tomado de: Fundamentos de transferencia de calor. INCROPERA
RELACIÓN CON LA IRRADIACIÓN La irradiación espectral se define como la rapidez a la que la
radiación incide sobre una superficie, por unidad de área de la superficie y por intervalo de longitud de onda unitaria.
Transferencia de calor por radiación
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Irradiación Total
Irradiación Espectral
Donde es el ángulo sólido unitario
Si la radiación incidente es difusa:
RELACIÓN CON LA RADIOSIDAD La radiosidad explica toda energía radiante que sale de una
superficie, incluyendo la parte reflejada. La Radiosidad Espectral representa la rapidez a la que la radiación de longitud de onda sale de una unidad de área superficial por intervalo de longitud de onda unitaria.
Transferencia de calor por radiación14
Radiosidad espectral
Radiosidad Total
Reflector y emisor difuso
Tomado de: Fundamentos de transferencia de calor. INCROPERA
RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO
1. Absorbe toda la radiación incidente.
2. Ninguna superficie puede transmitir mas energía que el cuerpo negro.
3. Es un emisor difuso.4. Existe radiación de cuerpo
negro dentro de la cavidad.
Transferencia de calor por radiación15
Cuerpo Negro
Tomado de: Fundamentos de transferencia de calor. INCROPERA
DISTRIBUCION DE PLANCK
La distribución espectral de emisión de cuerpo negro:
Transferencia de calor por radiación16
Potencia emisiva espectral del cuerpo negro: “Distribución de Planck”
1. La radiación emitida varía de forma continua con la longitud de onda.
2. La magnitud de la radiación aumenta al ascender T.
3. Hay mas radiación a longitudes de onda mas pequeñas.
4. Una fracción de la radiación emitida por el Sol está en la región visible.
Transferencia de calor por radiación17
Tomado de: Fundam
entos de transferencia de calor. INCRO
PERA
DISTRIBUCION DE PLANCK
LEY DE DESPLAZAMIENTO DE WIEN
Transferencia de calor por radiación18
La potencia emisiva espectral máxima se desplaza a longitudes de onda mas cortas al aumentar la temperatura
LEY DE STEFAN-BOLTZMANN
Transferencia de calor por radiación19
Cuerpo Negro o Radiador ideal
Superficie real
Potencia emisiva Total, Eb
Intensidad total asociada con la emisión
20 Transferencia de calor por radiación
EMISION DE BANDA
Es la fracción de la emisión total de un cuerpo negro que esta en cierto intervalo de longitudes de onda o banda.
Transferencia de calor por radiación21
Fracción de la radiación entre dos longitudes de onda:
22Transferencia de calor por radiación
Tomado de: Fundamentos de transferencia de calor. INCROPERA
TABLA 12.1
EJEMPLO: Considere un recinto isotérmico grande que se mantiene a una temperatura uniforme de 2000 K. Calcule la potencia emisiva de la radiación que emerge de una pequeña abertura sobre la superficie del recinto. ¿Cuál es la longitud de onda por debajo de la cual se concentra el 10% de la emisión?¿Cuál es la longitud de onda por arriba de la cual se concentra el 10% de la emisión? Determine la potencia emisiva espectral máxima y la longitud de onda a la que ocurre esta emisión. ¿cuál es la irradiación incidente sobre un objeto colocado dentro del recinto?
RADIACION DE CUERPO NEGRO
Transferencia de calor por radiación23
SOLUCIÓN: 1.
2. Tabla 12.1 se usa para hallar el valor de λ1 de la siguiente forma:
3. De la ley de Wien , despejando:Conociendo λmáx, con la tercera columna de la tabla 12.1 hallamos la potencia emisiva espectral.
Transferencia de calor por radiación24
RADIACION DE CUERPO NEGRO
SOLUCIÓN3. Por consiguiente:
Como la emisión es difusa:
4.
Transferencia de calor por radiación25
RADIACION DE CUERPO NEGRO
EMISION SUPERFICIAL
EMISIVIDAD: La razón de la radiación emitida por una superficie real a la radiación emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura.
Transferencia de calor por radiación26
Emisividad direccional espectral
Emisividad Total hemisféricaTomado de: Fundamentos de transferencia de calor. INCROPERA
Transferencia de calor por radiación27
Tomado de: htt
p://es.wikipedia.org
Tomado de: Fundamentos de transferencia de calor. INCROPERA
ABSORCIÓN, REFLEXIÓN Y TRANSMISION SUPERFICIALES
Para una componente espectral de la irradiación, partes de esta irradiación se pueden reflejar, absorber y transmitir.
Donde la irradiación espectral viene dada por:
Transferencia de calor por radiación28
ABSORTIVIDAD
Es una propiedad que determina la fracción de la irradiación absorbida por una superficie.
La absortividad direccional espectral, , de una superficie se define como la fracción de la intensidad espectral incidente en la dirección de y que la superficie absorbe:
Transferencia de calor por radiación29
Sin embargo para cálculos de la ingeniería, se trabaja con propiedades superficiales que representan promedios direccionales. Definimos entonces absortividad hemisférica espectral:
Transferencia de calor por radiación30
ABSORTIVIDAD
REFLECTIVIDAD
Es una propiedad que determina la fracción de la radiación incidente reflejada por una superficie.
Además de depender de la dirección de la radiación incidente, también depende de la dirección que presente la radiación reflejada.
Transferencia de calor por radiación31
Esta definida como:
Para casos de cálculos en ingeniería definimos reflectividad hemisférica espectral como:
Transferencia de calor por radiación32
REFLECTIVIDAD
TRANSMITIVIDAD
Es una propiedad que determina la fracción de la radiación incidente que se transmite por una superficie. Los resultados mas razonables se encuentran por el uso de transmitividades hemisféricas definidas como:
Transferencia de calor por radiación33
LEY DE KIRCHOFF
La siguiente relación se conoce como la ley de Kirchoff:
Transferencia de calor por radiación34
“ Ninguna superficie real puede tener una potencia emisiva que exceda la de una superficie negra a la misma temperatura”
INTERCAMBIO DE RADIACIÓN ENTRE SUPERFICIES
El intercambio de radiación entre superficies depende en gran medida de las formas y orientaciones de las superficies, así como de sus propiedades radiativas y temperaturas.
Transferencia de calor por radiación35
FACTOR FORMA
El factor de forma Fij se define como la fracción de la radiación que sale de la superficie i que es interceptada por la superficie j.
Una relación importante del factor forma esta dada por relación del área de las superficies.
Transferencia de calor por radiación36
FACTOR FORMA PARA RECTANGULOS PARALELOS ALINEADOS
Transferencia de calor por radiación37
Tomado de : FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR , INCROPERA
FACTOR FORMA PARA DISCOS COAXIALES PARALELOS
Transferencia de calor por radiación38
Tomado de : FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR , INCROPERA
INTERCAMBIO DE RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO
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EJEMPLO: La cavidad de un horno, que tiene la forma de un cilindro de 75 mm de diámetro y 150 mm de longitud, está abierta en un extremo a un medio que esta a 27⁰C. Los lados y la parte inferior se pueden aproximar como cuerpos negros, se calientan eléctricamente, están bien aislados, y se mantienen a temperaturas de 1350 y 1650⁰C, respectivamente.
¿Cuánta potencia se requiere para mantener las condiciones del horno?
Esquema
Transferencia de calor por radiación40
EJEMPLO
SOLUCIÓN: Suposiciones:
Superficies comportadas como cuerpos Negros
Convección Insignificante
Superficie Externa Adiabática
Transferencia de calor por radiación41
SOLUCIÓN:La potencia debe balancear las perdidas de calor del hornoÚnica perdida de calor por radiación a través de la abertura de área A3 Como los alrededores son grandes, el intercambio de radiación se trata mediante la aproximación de la superficie como cuerpo negro a T3 = Tair
La perdida de calor se expresa como:
Y esto es igual a:
EJEMPLO
Transferencia de calor por radiación42
SOLUCIÓN:La potencia debe balancear las perdidas de calor del hornoÚnica perdida de calor por radiación a través de la abertura de área A3 Como los alrededores son grandes, el intercambio de radiación se trata mediante la aproximación de la superficie como cuerpo negro a T3 = Tair
La perdida de calor se expresa como:
Y esto es igual a:
1.
EJEMPLO
Transferencia de calor por radiación43
De la tabla 2, se sigue que con (rj/L) = (0.0375/0.15) 0.25Y (L/ri)= (0.15/0.0375)=4, F23=0.06. De la regla de la suma:
F21= 1-F23 = 1-0.06 = 0.94
Y de la reciprocidad:
De aquí, como F13 = F12 de la simetría, reemplazando valores en 1
EJEMPLO
INTERCAMBIO DE RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO
La radiación puede salir de una superficie debido a la reflexión y emisión, y al alcanzar una segunda superficie, experimenta reflexión así como absorción. Pero se simplifica para superficies que son cuerpos negros no hay reflexión.
Transferencia de calor por radiación44
Tomado de : FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR , INCROPERA
INTERCAMBIO DE RADIACIÓN ENTRE SUPERFICIES GRISES, DIFUSAS, EN UN RECINTO
Su principal implicación se debe a la reflexión de la superficie.
Cada superficie del recinto se supone isotérmica y caracterizada por una radiosidad e irradiación uniformes.
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Tomado de la FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR , INCROPERA
INTERCAMBIO DE RADIACIÓN EN UNA SUPERFICIE
El termino , es la transferencia neta de radiación que sale de la superficie i, representa el efecto neto de las interacciones radiactivas que ocurren en la superficie.
También es la rapidez a al que la energía tendría que ser transferida a la superficie por otros medios para mantenerla a temperatura constante
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INTERCAMBIO DE RADIACIÓN ENTRE SUPERFICIES
La irradiación de la superficie i se puede evaluar a partir de todas las radiosidades de todas las superficies del recinto.
La transferencia de radiación hacia i a través de su resistencia superficial debe ser igual a la transferencia de radiación desde i a todas las otras superficies a través de las resistencias geométricas correspondientes.
Transferencia de calor por radiación
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RECINTO DE DOS SUPERFICIES
El ejemplo mas sencillo de un recinto es uno que incluye dos superficies que intercambian radiación solo entre ellas.
La transferencia neta de radiación desde la superficie 1, q1 , debe ser igual a la transferencia neta a la que se intercambia radiación entre 1 y 2
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CUBIERTAS DE RADIACIÓN
Las cubiertas de radiación se usan para reducir la transferencia neta de radiación entre dos superficies.
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Sin cubierta de radicación:
Con cubierta de radicación:
SUPERFICIE RERRADIANTE
Esta superficie se caracteriza por una transferencia neta de radiación cero (qi=0).
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CONCLUSIONES
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BIBLIOGRAFÍA
INCROPERA, FRANK P. Fundamentos de Transferencia de Calor. Cuarta edición.
BIRD R.B., Stewart W.E., Fenómenos de Transporte , Quinta edición.
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