Transferencia de calor por radiación: emisión, absorbancia y emisividad

Transferencia de calor por radiación

Emisión de radiación térmica

Tema 5. Transferencia de
calor por radiación5.1. Emisión de radiación térmica
Todo cuerpo a T>0K
emite energía radiante
Potencia
Distribución espectral
] Potencia
.
Flujo energético emitido
en todas las direcciones
del espacio
.
Una fuente puntual de 1W
emite 1 J/s en todas las
direcciones del espacio

• Figura 8 Fuente puntual de radición
  que emite en todas las direcciones del
  espacio (4 7 R2 radianes).5.1. Emisión de radiación térmica
  Distribución espectral
  Energía emitida > muchas
  longitudes de onda
  Visible-> color
  IR-> calor
  UV-> quemaduras
  X> atravesar los tejidos
  Gamma -> mutaciones
  ] Radiación térmica-> IR
  w
  Figura 8 Fuente puntual de radición
  que emite en todas las direcciones del
  espacio (4 TR radianes).5.1. Radiación térmica
  Espectro visible por el hombre (Luz)
  Ultravioleta
  Infrarrojo
  400 nm
  450 nm
  500 nm
  550 nm
  600 nm
  650 nm
  700 nm
  750 nm
  Rayos
  cosmicos
  Rayos
  Gamma
  Rayos X
  Infrarrojo
  Radar
  UHF
  Onda media
  Onda corta Onda larga
  Frecuencia
  extremadamente
  baja
  Microondas
  Radio
  1 mm
  1 um
  1 mm
  1 cm
  1 m
  1 km
  1 Mm
  -15
  -14
  -13
  -12
  -11
  -9
  -A
  -3
  -- 1
  0
  1
  3
  5
  10
  10
  Frequencia (Hz) 10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  (1 Tera-Hz)
  10
  10
  10
  10
  10
  (1 Mega-Hz)
  10
  4
  10
  10
  10
  [1 Zetta-Hz)
  (1 Exa-Hz)
  (1 Giga-Hz)
  10
  10
  10
  10
  10
  15
  14
  12
  11
  10
  B
  20
  19
  18
  17
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  10
  -10
  Longitud
  de onda (m)
  1 pm
  1 A
  1 mm
  UY-
  A/B/C
  Ultravioleta
  VHF
  -
  21
  5
  10
  [1 Peta-Hz)
  (1 Kilo-Hz)Calefacción radiante
  14:16:18 20 22 24 26:28:30 32:34 ºC
  -
  -
  .
  .
  .
  .
  ·
  ... .....
  -
  14:16:18:20:22:24:26:28:30 32:34 ºC
  F
  -
  .
  .
  -
  .
  -
  .
  .
  .
  R
  -十

Estudio de la radiación

5.2. Estudio de la radiación
Er
Ei
Ea
Ei = Er + Et + Ea
Er
Et
Ea
1
+
+
Ei
Ei
Ei
Et
Reflectancia: Fracción
de la radiación total
incidente sobre un
cuerpo que es
reflejada sobre él
mismo
Transmitancia: Fracción
de la radiación total
incidente sobre un
cuerpo que es
transmitida por él
mismo
Absorbancia: Fracción
de la radiación total
incidente sobre un
cuerpo que es
absorbida por él
mismo
ρ
τ
α

Análisis de la expresión: transmitancia

5.2.1. Análisis de la expresión :
transmitancia
1= p+t+x
OSit=1 > p+ a = 0
Cuerpo que transmite toda la radiación
incidente -> transparente
Sit =0
p + a = 1
Cuerpo que no transmite la radiación
incidente > opaco

Análisis de la expresión: reflectancia

5.2.2. Análisis de la expresión :
reflectancia
Sip =1
> a+ t= 0
1= p+t+x
Cuerpo que refleja
toda la radiación
incidente
> reflector
perfecto
[ Cuerpo superficie lisa
-> reflexión especular
[ Cuerpo superficie
rugosa -> reflexión
difusa
La reflexión especular
Reflexión
especular
Rayo
de luz
Reflexión Dia(
difusa
AireEstudio de la reflexión difusa emitida por las
plantas
Banda absorción
clorofila
Cloroplasto no absorbe IR
Mesófilo refleja el IR
Banda absorción
agua
VISIBLE
INFRARROJO
PROXIMO
INFRARROJO
MEDIO
TWI TH3
TM4
TM3
TM7
80
Suelo
Agua clara
REFLEC
Agua turbia
Vegetacion sana
Vegetacion enfermi
0.4
12
1.6
2.0
2.4
LONGITUD DE ONDA (mcta)R=Rojo G=Verde B=AzulR=IR cercano G=Verde B=Azul

Análisis de la expresión: absorbancia

5.2.3. Análisis de la expresión:
absorbancia
[ Si a=1> [+p=0
.
Cuerpo capaz de
absorber toda la energía
radiante incidente->
cuerpo negro
Cuerpo negro es el que
emite el máximo de
energía a una Ta dada
Situación ideal
inexistente
cuerpo gris
Incidente
Emitido
Exterior
Superficie
Interior
Absorbido
Incidente

Emisividad

5.3.Emisividad
Poder emisivo o emitancia (E) de una
superficie->
.
flujo de energía radiante emitido por unidad de
área (W/m2)
[ Emisividad de una superficie
Medida en que un cuerpo gris se acerca al negro
10<8<1
E =
E
E
n

Ley de Kirchhoff

5.4. Ley de kirchhoff
Si tenemos varios cuerpos con poderes emisivos
E1, E2, E3 .....
i
E ->E (cuerpo negro)
Absorbancias->
C1, C2, C3 .......;....... > =1(cuerponegro)
E
1
a;
_E;
=
E
=
a
n
E
=
n
n
= E
n
1
1
En el equilibrio térmico, existe una
relación cte entre el poder emisor
de un cuerpo y su poder
absorbente y esta relación es igual
al poder emisor del cuerpo negro
E
i
E
= a; = &;
En el equilibrio térmico, la emisividad de
un cuerpo es igual a su absorbancia
n

Ley de Stefan-Boltzmann

5.5. Ley de Stefan-Boltzman
El poder emisor de un cuerpo negro es
proporcional a la cuarta potencia de su Ta
absoluta
E (W / m2) = (W / m2 .K4).T4(K4)-> < = 5,67.10-8
En un cuerpo gris
E
=>E= E &= o.E.T
n
4
E
n
E = £·5,67
T
100
4Efecto de la Ta del cuerpo
Calcular el poder emisor de un cuerpo
negro a 38ºC
533,23 W/m2
Calcular el poder emisor de un ladrillo
rojo a 38ºC
495,9 W/m2
Calcular el poder emisor del acero
inoxidable colado a 38ºC y a 260℃
453,2 W/m2
3910,2 W/m2TABLA 4.3
Emisividad de diversas superficies.
Longitud de onda y temperatura media
9.3 um
38℃
5.4 um
3.6 um
540℃
1.8 um
1370°C
0.6 um
Solar
Material
Metales
Aluminio
Pulido
0.04
0.05
0.08
0.19
- 0.3
Oxidado
0.11
0.12
0.18
Colado 24-ST
0.4
0.32
0.27
Cubierta de tejados
0.22
Anodizado (a 1000°F)
0.94
0.42
0.60
0.34
Latón
Pulido
0.10
0.10
Oxidado
0.61
0.08
0.17
0.26
0.40
0.49
Cobre
Pulido
0.04
0.05
0.18
0.17
Oxidado
0.87
0.83
0.77
Hierro
Pulido
0.06
0.08
0.13
0.25
0.45
Fundición oxidada
0.63
0.66
0.76
0.42
0.66
Galvanizado, nuevo
0.23
-
Ultravioleta
Infrarrojo
400 nm
450 nm
500 nm
550 nm
600 nm
650 nm
700 nm
750 nm
Óxido
0.96
0.13
0.18
0.24
0.30
Magnesio
0.01
0.02
0.03
-
0.11
Plata pulida
Acero inoxidable
0.15
0.18
0.22
Rayos
cosmicos
Rayos
Gamma
Rayos X
UV-
A/B/C
Infrarrojo
Radar
UHF
Onda media
Onda corta Onda larga
Frecuencia
extremadamente
baja
Ultravioleta
Microondas
Radio
1 fm
1 pm
1A
1 nm
1 um
1 mm 1 cm
1 m
1 km
1 Mm
Longitud
de onda (m)
10 0 10-12 10-11 10-10 10 10 10-7 10+ 105 10+
4 -13
10-2 10-1 100 101
10
10
10
10
10
10 2 1
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
(1 Zetta-Hz)
(1 Exa-Hz)
(1 Peta-Hz)
(1 Tera-Hz)
(1 Giga-Hz)
(1 Mega-Hz)
(1 Kilo-Hz)
-
-
-
-
0.7
Rojo
0.9
-
~0.7
~ 0.75
Sílice
0.9
-
~0.75
0.84
Magnesita refractaria
0.9
-
-
~0.4
Esmalte blanco
0.9
Papel blanco
0.95
-
0.82
0.25
0.28
Yeso
0.91
Tablero recubrimiento
0.93
Acero esmaltado en blanco
-
-
0.65
0.47
-
-
-
~ 0.18
0.36ª
Zinc
0.02
0.03
0.04
0.06
0.46
Pulido
Lámina galvanizada
~ 0.25
Materiales de construcción y aislantes
Asfalto
0.93
0.9
0.93
Ladrillo
0.93
Arcilla refractaria
0.85
0.85
0.85
18-8 colado
Tubo de acero
0.80
Oxidado
0.03
Filamento de tungsteno
,-15
10
10-14
.5
.6
10
.7
Frequencia (Hz) 10
Espectro visible por el hombre (Luz)
Galvanizado, manchado
0.28
0.90
0.89
Lámina de acero bruto
0.94
0.97
0.98
0.85
0.74
0.07
18-8 pulido
VHF
-
ontinúa)
Cromo pulido
260℃

Intercambio de energía radiante entre cuerpos paralelos

5.6. Intercambio de energía radiante
entre dos cuerpos paralelos
1
T2
T1
E1
E2
E3
E
Cuerpo 2
Cuerpo 1
Sup> grandes, planas
y paralelas
Separadas por un
medio no absorbente
4
4
Q12 = 5,67 .&' . A.
·
T
100
−
T2
100
emisividad global -> &' =
1
1
1
-+ -- 1
81
2F
12
Figura 9 Recepción de radiación
emitida desde una fuente emisora
puntual sobre una superficie receptora.
-
-
1
-
⑈
Figura 10 Factor de visión
cuando la fuente emisora es
externa (en este ejemplo,
lineal)
F
12
S
R
4 TT d
F1-2={J
1-2
dS. cos (p. )dS cos ((2)
r‘
2
SI S2
[61]0.50
0.45
Y =0.1
0.40
0.2
Z
0.3
0.35
0.4
0.5
0.30
0.7
0.9
FACTOR (F1-2)
0.25
Y= 1.0
1.2
1. 4
0.20
1.6
2.0
0.15
2.5
3.0
0.10
4.0
Y = 6.0
8.0
0.05
CAMBIOS
DE ESCALA
ASIN-
TOTAS
AQUÍ
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0 5 6 7 8 9 10
RELACIÓN DE DIMENSIÓN (Z)
Factores de visión para rectángulos adyacentes situados perpendicularmente. Y (relación de dimensiones) = y/x; Z = z/x. [Adapta
30)1
A2
x
A

Intercambio de energía radiante entre cuerpos perpendiculares

5.6. Intercambio de energía radiante
entre dos cuerpos situados
perpendicularmente
A1
A2
Rectángulos adyacentes en
planos perpendiculares
4
4
Q1-2 = 5,67.S
1->2
1->2
A
·
·
->2
100
12
100
·
1
−
ζ
factor de corrección
Fracción de la radiación
emitida por A1 y recibida por
A2
La emisividad> &
La geometría-> Factor de
visión, superficies1
51-+2 =
1
1
-1
F
1->2
1
81
-1)+
A2
&2
0.50
0.45
Y = 0.1
0.40
0.2
Z
0.3
0.35
x
0.4
0.5
0.30
0.7
--
FACTOR (F1-2)
0.25
Y= 1.0
1.2
1.4
0.20
1.6
2.0
0.15
2.5
3.0
0.10
4.0
Y =6.0
8.0
0.05
CAMBIOS
DE ESCALA
ASIN-
TOTAS
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0 5 6 7 8 9 10
RELACIÓN DE DIMENSIÓN (Z)
Factores de visión para rectángulos adyacentes situados perpendicularmente. Y (relación de dimensiones) = y/x; Z = z/x. [Adaptado
30)]
A2
and
0.9
+
+
1
AQUÍ.
Calcular el calor recibido por radiación por un producto rectangular
moviéndose por el interior de un calentador radiativo. La fuente de
radiación es una pared vertical que se mantiene a 200℃ mientras
el producto se mueve perpendicularmente a ella. El producto está
a 80ºC su emisividad es 0.8, sus dimensiones 20x15cm y las de la
fuente de radiación 5x1m.
Se considera emisividad máxima para el calentador
Q1-2:216 W

Resumen de transmisión de calor

Resumen
Transmisión de calor entre dos
cuerpos es posible simultáneamente
por:
Conducción
Convección
Radiación·
x
A
R
R =
Δχ
k
A
·
Q =
TA-TA
R
B
Ln
TB
R
=
r
A
A
2ALk
Conducción
·
QCx TA-TB
=
A
R.
c
R =
C
1
c
Fórmulas para cada
caso
Convección
·
Q (TA-TR)
-
A
R,
r
Radiación
R =
1
r
(TA-TA)
h =OSAAB
·
(TA-TR)
4
4
21->2 =5,67.S.
1->2
·
·
1
>2
1
100
1
−
100
·
T2
=
TA-TB
A

Problemas propuestos

Problema propuestos
O
Calcule el intercambio de calor entre
dos superficies de aluminio
pulimentado de 3 x 3 m unidas por
una arista con un ángulo de 90° y
una de ellas se encuentra a 200°C y
la otra a 20ºC.