El fenómeno de la radiación

El fundamento teórico de la radiación fue establecido en 1864 por el físico James Clerk Maxwell, al postular que las cargas aceleradas o las corrientes eléctricas cambiantes dan lugar a campos eléctricos y magnéticos. Estos campos se denominan ondas electromagnéticos o radiación electromagnética y representan la energía emitida por la materia como resultado de de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos. Las ondas electromagnéticas se caracterizan por su frecuencia ν y su longitud de onda λ, relacionadas entre sí por la expresión:

ν = λ c

donde c es la velocidad de la luz en el medio. Las diferentes longitudes o frecuencias de las ondas radiadas conforman el conocido “espectro de ondas electromagnéticas” (Figura 5.5.1).

Figura 5.5.1.- Espectro electromagnético

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El tipo de radiación electromagnética que resulta interesante para la transmisión de calor se conoce como radiación térmica, emitida como resultado de las transiciones energéticas de las moléculas, átomos y electrones de la materia (la temperatura también es un resultado de estas transiciones). Incluye toda la radiación visible e infrarroja, y además una parte de la radiación ultravioleta.

Concepto de cuerpo negro:

Se designa como cuerpo negro aquel “emisor y absorbedor perfecto de la radiación”, absorbiendo toda la radiación recibida y emitiendo radiación de forma uniforme en todas las direcciones. La cantidad de energía de radiación emitida por un cuerpo de este tipo fue determinada por Joseph Stefan en 1879:

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b(T) T

E =σ

donde s es la constante de Stefan-Boltzmann, con un valor de 5.67·10-8 [W m-2 K-4]. Este poder de emisión de cuerpo negro, Eb, sería la máxima energía que puede radiar un

cuerpo a una temperatura T.

Por otra parte, como se ha comentado, la temperatura y las ondas electromagnéticas son resultado de las transiciones energéticas de moléculas, átomos y electrones. Por lo tanto, es lógico que un cuerpo a una temperatura emita más energía por medio de unas longitudes de onda distintas a otro con una temperatura diferente. Este efecto queda representado al definir el poder de emisión espectral de cuerpo negro, que es la cantidad de energía de radiación emitida por un cuerpo negro a una temperatura absoluta T por unidad de tiempo, de superficie y de longitud de onda.

Además, se define como intensidad de radiación emitida la velocidad a la cual la energía de radiación se emite en una dirección por unidad de área normal a la dirección y por unidad de ángulo sólido en torno a la misma.

En lo que respecta a la radiación emitida, la aproximación de cuerpo negro es un concepto ideal y no suele ser común en la práctica, donde las superficies reales emiten menos radiación que la que emitiría un cuerpo negro. De esta forma, se define el concepto de emisividad (ε) como la relación entre la radiación emitida por una superficie dada y la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura. Por tanto, una aproximación más

(Ec. 5.5.2)

Figura 5.5.2.- Emisividad en función de la longitud de onda y la temperatura

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cercana a la realidad sería el concepto de cuerpo gris, que otorga a las superficies una emisividad pero sin dependencia de la longitud de onda.

De forma similar, en lo que concierne a la radiación absorbida

superficie real no solo va a absorber radiación, sino que parte de esta será reflejada y en ocasiones, parte será transmitida a través del material; hechos que generan la definición de los conceptos de absortividad (

de ellos la relación entre la radiación absorbida, reflejada y transmitida y la radiación

incidente respectivamente.

Emisividad y absortividad de gases y mezclas

En el presente proyecto, se va a trabajar principalmente con gases a elevadas temperaturas. Los gases, al igual que cualquier cuerpo con una temperatura superior al cero absoluto, radian energía. A su vez, cuando reciben una radiación, parte es absorbida, es reflejada y parte es transmitida a través del gas. Para su análisis, se pueden emplear los mismos conceptos de cuerpo negro y gris, si bien serán aproximaciones puesto que los coeficientes de absortividad, reflectividad y transmitividad son funció

onda (Figura 5.5.3). Pero aún empleando la aproximación de cuerpo gris, la emisividad y absortividad van a depender de la distribución de la masa, la temperatura, la presión y la

composición del gas.

Figura 5.5.3.

La herramienta CFD empleada dispone de un elevado número de opciones para determinar el proceso de transmisión de calor por radiación (a través de los modelos de radiación que serán analizados en el próximo apartado),

de definir las dependencias de los coeficientes de emisividad con la longitud de onda. Por otro lado, al definir mezclas, el módulo trabaja con valores medios en función de las diferentes composiciones de las mismas.

5. Herram

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cercana a la realidad sería el concepto de cuerpo gris, que otorga a las superficies una emisividad pero sin dependencia de la longitud de onda.

De forma similar, en lo que concierne a la radiación absorbida

superficie real no solo va a absorber radiación, sino que parte de esta será reflejada y en ocasiones, parte será transmitida a través del material; hechos que generan la definición de los conceptos de absortividad (α), reflectividad (ρ) y transmitividad (τ

de ellos la relación entre la radiación absorbida, reflejada y transmitida y la radiación

Emisividad y absortividad de gases y mezclas

En el presente proyecto, se va a trabajar principalmente con gases a elevadas temperaturas. Los gases, al igual que cualquier cuerpo con una temperatura superior al cero absoluto, radian energía. A su vez, cuando reciben una radiación, parte es absorbida, es reflejada y parte es transmitida a través del gas. Para su análisis, se pueden emplear los mismos conceptos de cuerpo negro y gris, si bien serán aproximaciones puesto que los coeficientes de absortividad, reflectividad y transmitividad son función de la longitud de .3). Pero aún empleando la aproximación de cuerpo gris, la emisividad y absortividad van a depender de la distribución de la masa, la temperatura, la presión y la

.3.- Absortividad de gases generadores de efecto invernadero

La herramienta CFD empleada dispone de un elevado número de opciones para determinar el proceso de transmisión de calor por radiación (a través de los modelos de radiación que serán analizados en el próximo apartado),pero también ofrece la posibilidad de definir las dependencias de los coeficientes de emisividad con la longitud de onda. Por otro lado, al definir mezclas, el módulo trabaja con valores medios en función de las diferentes composiciones de las mismas.

5. Herramienta CFD

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cercana a la realidad sería el concepto de cuerpo gris, que otorga a las superficies una

De forma similar, en lo que concierne a la radiación absorbida por un cuerpo una

superficie real no solo va a absorber radiación, sino que parte de esta será reflejada y en ocasiones, parte será transmitida a través del material; hechos que generan la definición de

τ), siendo cada uno

de ellos la relación entre la radiación absorbida, reflejada y transmitida y la radiación

En el presente proyecto, se va a trabajar principalmente con gases a elevadas temperaturas. Los gases, al igual que cualquier cuerpo con una temperatura superior al cero absoluto, radian energía. A su vez, cuando reciben una radiación, parte es absorbida, parte

es reflejada y parte es transmitida a través del gas. Para su análisis, se pueden emplear los mismos conceptos de cuerpo negro y gris, si bien serán aproximaciones puesto que los n de la longitud de .3). Pero aún empleando la aproximación de cuerpo gris, la emisividad y absortividad van a depender de la distribución de la masa, la temperatura, la presión y la

ses generadores de efecto invernadero

La herramienta CFD empleada dispone de un elevado número de opciones para determinar el proceso de transmisión de calor por radiación (a través de los modelos de pero también ofrece la posibilidad de definir las dependencias de los coeficientes de emisividad con la longitud de onda. Por otro lado, al definir mezclas, el módulo trabaja con valores medios en función de las

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