1
TRANSMISIÓN DE CALOR
POR RADIACIÓN
1TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
Índice
• Radiación Térmica
• Dependencias funcionales
• Definiciones básicas
• Balance energético
• Comportamiento de los materiales
• Cavidad ideal isoterma
• Ley de Stephan-Boltzman
• Cuerpos grises
• Calor intercambiado por radiación de una superficie opaca
• Ley de Kirchoff
Denominamos radiación térmica a la radiación electromagnética emitida por un cuerpo asociada a su temperatura absoluta en el rango de longitudes de onda entre 0,1 y 100 μm
33
Espectro electromagnético
Espectro Radiación Electromagnética
Longitud de onda
Frecuencia
Ondas de radio Infrarrojo
Radiación térmica
Radiación solar
Visible Ultravioleta Rayos X Rayos cósmicos
3 0,7 0,4 c = Velocidad de la luz en el vacío (299800 km/s) 4 10 103 102 101 100 101 102 103 104 10 10 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1
)
(
seg
c
h
E
• No precisa de medio material (también puede transmitirse a través del vacío) • Medio no participante (normalmente el aire).
– Fenómeno superficial.
– Intercambio entre superficies. El aire se considera transparente a la radiación. • Medio participante (fundamentalmente gases de combustión).
– El medio absorbe, emite y dispersa radiación.
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
1 , / 5 1 2 C T b e C T E
2 16 1 3.74 10 W /m C K m C2 1.439 102 Ley de Planck: Potencia emisiva espectralde un cuerpo negro
Leyes. Cantidad
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
(2h)
Cuerpo Negro (b): Se define cuerpo negro aquel en el que
su emisión coincide con el ideal
• Absorbe toda la radicación incidente
• Ninguna otra superficie puede emitir más energía que él.
• Su emisión no depende de la dirección; es una emisor difuso
0,E+00 5,E+04 1,E+05 2,E+05 2,E+05 3,E+05 3,E+05 4,E+05 4,E+05 5,E+05 0 2 4 6 8 10 12
Longitud de onda (micras)
En ( W/ m 2 m ic ra ) 2000 K 1500 K 1000 K 750 K 500 K T=2897,6 mK
Ley de Wien: Localiza el máximo dela
potencia espectral de un cuerpo negro K m T 2898 · · max
Naturaleza Radiación: Depende de la temperatura absoluta, de la longitud de onda
y de la dirección
• Angulo solidow [sr]
• Intensidad espectralI [W/(m2∙sr∙μm)]
• Potencia emisiva espectral Eλ[W/(m2∙μm)]
55
Leyes. Cantidad
Ley de Stefan-Boltzmann (1879)
Usando e integrando la ley de Planck
0 / 5 1 0e
21
d
C
d
E
E
b b C T 4 2 8 / 10 67 . 5 W m K
Temperatura de la superficie K 300 800 1600 5800Potencia emisiva total, W/m2 459.2 23,220 3.71x105 64.16x106
Longitud de onda de la emisión máxima, m 9.66 3.62 1.81 0.500
Fracción de la emisión en la banda Ultravioleta (5x10-3-3.9x10-1m) Luz visible (3.9x10-1-7.8x10-1m) Infrarrojo (7.8x10-1-1x103) 0.000 0.000 1.000 0.000 0.000 1.000 0.000 0.003 0.997 0.112 0.456 0.432 Fracción de emisión Por debajo =4m Por encima =4m 0.002 0.998 0.318 0.682 0.769 0.231 0.990 0.010 0.0E+0 2.0E+7 4.0E+7 6.0E+7 8.0E+7 0 2000 4000 6000
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
(2h)
E
T
4b
Leyes. Dirección
Intensidad: Energía emitida en una longitud de onda en una dirección por unidad de superficie emisora en dicha dirección
cos ) ( lim ' ) ( lim 0 0 dwdS dQ dS dw dQ I da da b
bcos
bI
E
C T w b b b b e E dw I sen d d I C E
2 0 2 / 0 / 5 1 cos 1 21
/ 5 1
C T bC
I
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
(2h)
r d 2 0 dS dw da d 2 / 0 rd d r sen
sen r Emisión hemiesféricaEn un cuerpo negro, la radiación se emite de forma difusa Igual intensidad en cualquier dirección
n I n E n I 2 2 r d sen r d r r da dw
77
Definiciones y propiedades
IRRADIACIÓN (G):
Energía por unidad de tiempo en forma radiante que alcanza una superficie
RADIOSIDAD (J):
Energía por unidad de tiempo en forma radiante saliente de una superficie
A: radiación absorbida
R : radiación reflejada
T: radiación transmitida
G : Irradiación
Reflectividad
Absortividad
Transmisividad
G = A+ R+ T
CONSERVACIÓN DE LA
ENERGÍA:
[W/m
2]
G =
G +
G +
G
+
+
= 1
+
+
= 1
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
Propiedades
* Sólidos: la mayoría opacos a la radiación térmica:
* Algunos selectivos con la longitud de onda.
• Gases:
• Se consideran transparentes a longitud de onda corta, (<3m)
• A longitud de onda larga(>3m) varían sus propiedades en
bandas de absorción. Comportamiento no uniforme.
Recordar espectrografía de gases. Ejemplo:el aire.
* Por lo tanto en presencia de cuerpos que emiten a esas longitudes de onda (en general superior a 500ºC ó 600ºC) se debe considerar
el gas como
medio
participante:
gases de combustión en hornos, energía solar,etc..
Ejemplos: CO2 , vapor de agua, ozono
1
0
)
(
)
(
)
(
)
(
El vidrio de ventana es:
• Transparente a la radiación visible • Opaco a la radiación infrarroja
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
9
Emisividad
Emisividad monocromática hemiesférica
)
,
(
)
,
(
)
,
(
T
E
T
E
T
b
Emisividad hemiesférica total:
)
(
)
(
)
(
T
E
T
E
T
b
T
T
4E
)
T
(
E
b
E=
E
b(T)
Relación entre la energía emitida realmente por un cuerpo con respecto a la que emite idealmente
0 0.05 0.10 0.15
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Metales muy pulidos, chapas, películas Metales pulidos
Metales, de suministro
Metales, de suministro y sin pulir
Metales, oxidados Óxidos, cerámicas
Carbón, grafito Minerales, vidrio
Vegetación, agua, piel Pinturas especiales, acabados anodizados
Emisividad total
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
Ley de Kirchoff
CONCLUSION: El campo de irradiación G en una cavidad isoterma a
temperatura T, es igual a la emisión de una superficie negra a esa temperatura. Introduciendo un pequeño trozo de superficie negra en un
recinto isotermo a temperatura T, el trozo acabará a la misma temperatura que el recinto T.
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
(2h)
El equilibrio térmico implica que lo que absorbe es igual a lo que emite:G
Eb(T)
G= E
b(T)
G
εEb(T)
Suponemos una cavidad isoterma a temperatura T en cuyo interior se coloca una pequeña superficie no negra.
El equilibrio térmico implica que lo que
absorbe es igual a lo que emite:
G=
E
b(T)
Y teniendo en cuenta la anterior relación:
=
En general, para la radiación monocromática
=
CONCLUSION: El coeficiente de emisión y el coeficiente de absorción a una longitud de onda coinciden para un cuerpo.
11
Propiedades
Se define superficie gris como aquella en que la emisividad sólo depende de la temperatura y no de la longitud de onda ni la dirección de emisión.
(, T)= (T)
0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 0 2 4 6 8 10 12 14 Superficie real a 800KSuperficie gris a 800K con =0.8 Superficie negra a 800K
Se define cuerpo negro aquel que su emisión coincide con el ideal (también será el que más absorba)
0
0
1TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
(2h)
E(T)
(W/m
2μm)
Factor de visión
Fracción de radiosidad que sale de la superficie
A
ie incide en
A
j(F
AiAj)
r 2 1 1 dA 1 A 2 dA 2 A 2 2 1 2 1 1 2 2 2 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 2 1 2 1 dA dA dA dA dA dA dA dA r cos cos dA dA I r cos dA cos dA I d cos dA I dJ 2 r dA dw n n dA r
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
(2h)
13
Factor de visión
Fracción de radiosidad que sale de la superficie
A
ie incide en
A
j(F
AiAj)
r 2 1 1 dA 1 A 2 dA 2 A 2 2 1 2 1 1 1 1 1 2 1 2 1 2 1 dA dA dA dA dA dA
r
cos
cos
dA
dA
I
d
cos
dA
I
dJ
1 1 1 1 1 1 1 1 1A
I
dA
I
dA
E
J
A A
1 2 2 2 1 1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 1 2 1 cos cos cos cos dA dA r A A I dA dA r I J dJ F A A dA dA A A dA dA A A dAdA
(factor geométrico)De la definición
i A A j dA dA j i j i i dA dA r cos cos F A i j j i
2 j A A i dA dA i j i j j dA dA r cos cos F A j i i j
2 Relación de reciprocidad de F ji j j i iF
A
F
A
Generalizando
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
(2h)
Factor de visión
Recinto cerrado con N superficies Cada superficie es isoterma
Superficies emisoras y reflectoras difusas
Métodos de cálculo :
Tablas, gráficas o expresiones analíticas Analíticos
Adición
Reciprocidad especial
Eliminación superficies cóncavas Método de Hottel
Métodos geométricos Métodos numéricos Nº total de factores de forma
Nº de relaciones de reciprocidad 2
N
2
)
1
(
N
N
ij i ji jF
A
F
A
Nº de relaciones de complementariedad N 1 1
N i ij FNº de superficies convexas o planas P
Nº de factores de forma a estimar :
P N N P N N N N 2 ) 1 ( 2 ) 1 ( 2
A
iA
jA
nTEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
15
Factor de visión
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
(2h)
i
Factor de visión
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
(2h)
i
j
17
Factor de visión
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
(2h)
i
j
Factor de visión. Reciprocidad especial
r r' y x z a c b d 3A
A
4 1A
A
2 3 1 2 4 1 4 2 2 3 1 1 2 , 1 4 , 3 4 3 4 1 2 ) ( A F A F A F A A F Por tanto: Por definición
d a b a c a r dx dy dx dz F A 0 0 0 2 4 1 4 1 1 ´ cos cos
d a c a b a dz dx dy dx r F A 0 0 0 2 3 2 3 2 2 cos cos 1 4 4 4 1 1 2 3 3 3 2 2F A F AF A F A Luego: a x z d 3A
A
4 3
4
d 1A
A
2 1 2 b cPodemos obtener una expresión análoga para planos paralelos
4 2 2 4 1 1 3 1 1 4 2 2 3 2 2 4 1 1 3 1 1 4 , 3 2 2 4 , 3 1 1 2 4 , 3 4 3 1 4 , 3 4 3 2 , 1 4 , 3 4 3 2 ) ( ) ( ) ( F A F A F A F A F A F A F A F A F A F A A F A A F A A
Por adición y reciprocidad
1 2 2 2 1 1 2 1 1 2 1 dA dA r cos cos A F A A
Y por construcciónTEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
19
Factor de visión.
Por definición de factor de visión F123 F12 F13y x z a c b d 3
A
4A
1A
2A
Evaluar el factor de visión F1-4 en el ejemplo de la figura: 4 2 2 3 2 2 34 2 2 4 2 2 4 1 1 2 4 4 1 , 4 4 12 4 4 4 2 , 1 2 , 1 4 2 , 1 2 , 1 3 2 , 1 2 , 1 4 , 3 2 , 1 2 , 1 F A F A F A F A F A F A F A F A F A F A F A F A 3 2 2 34 2 2 4 , 1 1 3 2 , 1 2 , 1 4 , 3 2 , 1 2 , 1 F A F A F A F A F A
Por adición y reciprocidad podemos expresar las siguientes relaciones:
Sustituyendo: 1 3 2 2 4 , 3 2 2 3 2 , 1 2 1 4 . 3 2 , 1 2 1 4 1 ) ( ) ( A F A F A F A A F A A F Despejando:
Donde todos los valores a evaluar son Factores de rectángulos perpendiculares con un lado común
TEMA
5.
RADIACION
1. Fundamentos. Leyes y factor de
visión
Intercambio radiante medio no participante
Radiosidad Irradiación iq
i A i J i G 4 ) ( i i b i i E T T E ij
i ig
ig
TEMA
5.
RADIACION
2.
Intercambio en
medio no
participante (2h)
Hipótesis:•Superficies grises opacas
•Propiedades radiantes difusas e uniformes •Temperatura y Flujo de calor uniforme
Ai, Ti, i, i, i Ji, Gi Sup. i • Balance en la superficie i i i i i T g j
4
4 1 ( ) i i i i i j g T (1) i i i i i i j g T q j q '' 4 (1) ''
i i i T j q 4 1 '' • Aplicando que α=ε y usando (1) en la definición de calor neto:
21
Intercambio radiante medio no participante
Radiosidad Irradiación i
q
i A i J i G 4 ) ( i i b i i E T T E ij
i ig
ig
TEMA
5.
RADIACION
2.
Intercambio en
medio no
participante (2h)
Hipótesis:•Superficies grises opacas
•Propiedades radiantes difusas e uniformes •Temperatura y Flujo de calor uniforme
Ai, Ti, i, i, i Ji, Gi Sup. i
N k k k i ik N k k i k i i i i j g j j F F j q 1 1 "
N k k i k i i ik N k k i k i i i i i i i i j F F j j g j T 1 1 4 1 ( ) 1 ( ) (1 ) De (1) y (3): k i Si k i Si donde ik ik 0 1
N k k i i k N k i k k k N k i k k i J F j A F j AF G 1 1 1
N k k i k i i i g j F A G 1• Por otra parte, la irradiancia se puede calcular como :
(3)
• El calor neto intercambiado lo podemos evaluar como:
(5) (4)
Intercambio radiante. Método matricial
Radiosidad Irradiación iq
i A i J i GUna vez calculadas las radiosidades, para aquellas superficies en que
no se
conoce el calor
se pueden utilizar cualquiera de las siguientes expresiones:
En las que
no se conoce la temperatura:
ó
TEMA
5.
RADIACION
2.
Intercambio en
medio no
participante (2h)
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
=
Nq
4 1 T 4 2 T 1 j 2 j i j N j 1 Fi 1 FN i i F 1 i N F N i F N N F 1 1 1 1 1) 1 ( 1 F 1 2 1 1) 1 ( F 1 1 1) 1 ( FN 2 1 2 2) 1 ( F 2 2 2 2) 1 ( 1 F 2 2 2) 1 ( F N iq
N k k k i ik i F j q 1 "
i i
i i i T j q 4 1 "
j i j i donde ij 0 1 " 1 4 i i i i j q T
...
(1) y (5) (5) (2)23
Intercambio radiante. Método eléctrico
Radiosidad Irradiación i q i A i J i G
•
q
ianálogo a la intensidad eléctrica.
•
(
.T
i4-j
i
)
análogo a una diferencia de potencial
• Así, se correspondería con una resistencia
•
q
isuma de intensidades de las demás superficies radiantes
•
j
i-j
jdiferencia de potencial
•
: resistencia eléctrica
i i iA
1
j
i
ij iF
A
1
TEMA
5.
RADIACION
2.
Intercambio en
medio no
participante (2h)
N k k i i k i N k k i k N k k i i i i i i F A j j F j F j A G J q 1 1 1 1
i i i i i i i i i i i i i A j T j T A q A q
1 1 " 4 4 ij
4 i T
i
j
N
j
k
j
1
j
Intercambio radiante. Método eléctrico
2 Superficies
1 j 4 1 T
j
2 4 2 T 12 1 12 1 F A R 1 1 1 1 1 A R 2 2 2 2 1 A R 3 Superficies
1j
2 j 3 j T34 4 1 T 4 2 T 1 1 1 1 1 A R 12 1 12 1 F A R 2 2 2 2 1 A R 23 2 23 1 F A R 13 1 13 1 F A R 3 3 3 3 1 A R TEMA
5.
RADIACION
2.
Intercambio en
medio no
participante (2h)
13 12 1 R R R R R R 1 1 1 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3 w 2 R 1 R R3 12 R 13 R 23 RRecordatorio equivalencia circuitos -
4 Superficies
1j
2j
3j
T34 4 1 T
4 2 T
4 4 T
1 1 1 1 1 A R 1 12 12 1 F A R 2 2 2 2 1 A R 13 1 13 1 F A R 14 1 14 1 F A R 23 2 23 1 F A R 3 3 3 3 1 A R 34 3 34 1 F A R 23 2 23 1 F A R 4 4 4 4 1 A R 4j
25
Intercambio radiante. Ejemplos. Superficie pequeña que no se
ve así misma en un recinto de grandes dimensiones
TEMA
5.
RADIACION
2.
Intercambio en
medio no
participante (2h)
T1 1 T2 2 2 2 2 -1 12 1 1 1 1 1 -1 ) T (T q 1 q 4 2 4 1 2 A F A AA
1<<A
2 ) T (T 4 2 4 1 2 24 4 1 1 11
1
1
1
1
-1
)
T
(T
q
1
q
AA
A
J1 12 1 1 F A 1 1 1 1 A 2 2 2 1 Aq
2q
1 4 1 T 4 2 T J2 F11=0 F12=1 Como se supone 1 11 -1 2 2 2 -1 A A1 1 T
TEMA
5.
RADIACION
2.
Intercambio en
medio no
participante (2h)
Intercambio radiante. Ej. Eliminación superficies cóncavas
1 A
Esquema
eléctrico
equivalente
1 j 2j
4 1 T
4 2 T
4 n T
1 1 1 1 1 A R 21 2 12 1 F A R 2 2 2 2 1 A R 1 1 1 k k k F A R 1 1 1 n n n F A R n n n n A R 1 eq A eqLos factores de forma no varían si la superficie equivalente es plana “no entra” dentro del recinto
Por lo tanto para mantener idéntico el esquema eléctrico sólo se tendrá que cumplir que la resistencia de dicha superficie sea la misma, es decir
eq eq eq A A R 1 1 1 1 1 1
1
1 1 1 1 1 A Aeq eq CIERRE DE UN RECINTO ABIERTO: SUPERFICIE VIRTUAL:
A
1>>A
eq1
eq
Cuerpo negro a T1 n j k j27
Intercambio radiante. Ejemplos. Planos paralelos infinitos.
Jj Ji ij i F A 1 i i i A 1 j j j A 1
Q
jQ
i 4 i T 4 j T J1 J2 T1 1 T22 F11=F22=0 F12=F21=1A
1=A
2 j j -1 ij 1 i i -1 ) T (T q q 4 j 4 i j i j A F i A i AResultando
1
1
1
)
T
(T
q
q
2 1 4 2 4 1 2 1
A
TEMA
5.
RADIACION
2.
Intercambio en
medio no
participante (2h)
Intercambio radiante. Ejemplos. Pantallas de radiación.
J1 T1 1 J2 T2 2T
s
s s F A1 1 1 1 1 1 1 A s s s A 1 Q1 4 1 T 4 s T s F A2 2 1 2 22 1 A -Q2 s s s A 1 4 2 T A1=As=A2 F11=Fss=F22=0 F1s=Fs1=1 F2s=Fs2=12
1
2
1
1
1
1
s sin
pantalla pantalla conq
q
2
1
2
1
T
T
q
q
q
2 s 1 4 2 4 1 pantalla con 2 1
TEMA
5.
RADIACION
2.
Intercambio en
medio no
participante (2h)
1
n
1
q"
q"
CON
Para n pantallas, con
=
=…=
1
1
1
T
T
q
q
q
2 1 4 2 4 1 pantalla sin 2 1
29
Ejemplo: dos recintos con aire separados por una pared
TEMA
6.
SUPERPOSION MODOS
TRANSMISION CALOR
Superposición de diferentes modos de transmisión de calor.
Balance de energía para la superficie 1
0
1 2 1
conv aireA
radq
q
Balance de energía para la superficie 4
0
4 4 3
convaireB
radq
q
Balance de energía para el aire del recinto B:
0
4
3aireB
conv aireB
conv
q
q
Balance de energía para el aire del recinto A:
0
2
1aireA
conv aireA
conv
q
q
Balances de energía para la pantalla intermedia:
0
1 2 2
2
3
conv aireA
rad
cond
q
q
q
0
3 4 3 32
convaireB
rad
cond
q
q
El planteamiento es el mismo para mas superficies 1
j
2j
3j
12 R 13 R 23 R 4 3 T 4 1 T 4 2 T 14 R 34 R 23 R 4 R 1 R 3 R 2 R 4 4 T Objetivo:
4 Superficies
i i i i i i A j T q 1 ) ( 4
N j ij j i i i i N j j i ij i i i N j j ij i i D T T A T T B A T B T q 1 4 4 1 4 4 1 4 4 1 1 ) ( i D 1 Luego los valores buscados se pueden calcular por :13 D 4 3 T 4 1 T 4 2 T 4 4 T 12 D D23 34 D 14 D 24 RT
Siempre se puede expresar el problema en forma matricial :
4 i ij iB
T
j
T
i4
C
ij
j
i Cumpliéndose siempre :
N j ij B 1 1
1 ij ijC
B
4j
Superposición de diferentes modos de transmisión de calor.
TEMA
6.
SUPERPOSION MODOS
31 Aire Ta Radiosidad Irradiación i
q
iA
iJ
iG
Balance de energía para la superficie 1
0
...
...
1 1 12
1
rad k
rad n
conv aireA
cond
rad
q
q
q
q
q
...
...
0 1 1 1 4 4 1 1 4 4 1 12 4 2 4 1 cond a n n k k Ah T T q D T T D T T D T T Que se expresa como
1
0 1heq T Teq qcond A Y por tanto donde h h h hheq rad12 .. rad1k .. rad1n
h h h h hT T h T h T h T n rad k rad rad a n n rad k k rad rad eq 1 1 12 1 1 2 12 .. .. .. ..
Pudiendo reescribirse como
1 2
... 1 1
1
... 1 1
1
1
1
012
1hrad T T Ahrad k T Tk Ahrad n T Tn Ah T Ta qcond
A