Radiacion termica – [PDF Document]

  • RADIACION SOLAR DESCRIPCIN BREVE Encontrar los principales parmetros de la radiacin trmica y la evaluacin de los factores de vista en diferentes reas. Y.O.P Transferencia de Calor
  • RADIACION SOLAR 1 Tabla de contenido INTRODUCCION …………………………………………………………………………………………………………………. 2 DEFINICIONES ……………………………………………………………………………………………………………………. 3 DETERMINACION DE FACTORES DE VISA ……………………………………………………………………… 11 FACTORES DESDE Y HACIA AREAS FINITAS ……………………………………………………………………. 18 FACTORES DESDE ELEMETO DIFERENCIALES HACIA AREAS FINITAS25
  • RADIACION SOLAR 2 4 RADIACIN 4.1 Introduccin Se define como radiacin trmica a la energa electromagntica emitida por la materia cuando se encuentra a una temperatura finita en la regin espectral de longitud de onda comprendida entre 0,4 m y 100 m. La radiacin puede provenir tanto de los slidos, como de los lquidos y gases. La radiacin que se emite desde un slido o lquido se origina de molculas que se encuentran a una distancia de aproximadamente 1 m con respecto de la superficie. Sin importar la forma de la materia, la radiacin puede atribuirse a cambios en las configuraciones electrnicas de los tomos o molculas constitutivos de esta materia. La energa por radiacin se transporta por ondas electromagnticas (o, alternativamente, fotones). Y como se puede observar en la Figura 4.1, tienen una longitud de onda comprendida en un intervalo que abarca desde la parte de radiacin ultravioleta hasta las microondas, pasando por todo el espectro visible y el infrarrojo ( = 0,4 a 100 m). Por tanto, mientras que la conduccin y la conveccin requieren de un medio para transmitirse, la radiacin no lo necesita. De hecho, la transferencia de energa por radiacin tiene su mxima eficacia en el vaco.
  • RADIACION SOLAR 3 Figura 4.1. Espectro de radiacin electromagntica 4.2 Definiciones La magnitud de la radiacin vara de acuerdo con la longitud de onda. La radiacin emitida consiste en una distribucin continua no uniforme de componentes monocromticos (una sola longitud de onda). La distribucin espectral (Figura 4.2) y la distribucin direccional son dos caractersticas importantes de la radiacin trmica. 0.7 Rojo 0.4 Violeta Amarillo 0.6 0.5 Azul Rojo – Naranja Ultravioleta Infrarrojo 1 102 104 106 108 10-2 10-4 10-6 Longitud de onda ( , m ) Radiacin Trmica (0.4 – 100 m) Infrarrojo Ultravioleta 0.1 Rayos x Rayos gama Ondas de: Televisin, Radio,
  • RADIACION SOLAR 4 Figura 4.2. Caractersticas de la radiacin. a) Distribucin espectral. b) Sistema de coordenadas esfricas para definir la naturaleza direccional de la intensidad espectral en un hemisferio hipottico de elementos diferenciales dA1 y dAn. Intensidad de radiacin: Los efectos direccionales se encuentran considerados en el concepto de intensidad de radiacin (I ,e). sta se define como la velocidad a la que se emite energa radiante a la longitud de onda en la direccin (,), por unidad de rea de la superficie emisora normal a esta direccin, por unidad de ngulo slido alrededor de esta direccin, y por intervalo de longitud de onda unitaria d alrededor de . Su ecuacin es: Ec. (4. 1) donde I ,e intensidad espectral (Wm-2sr-1m-1) longitud de onda (m) d ngulo slido (sr) dA1 cos rea proyectada (m2). Si se considera dq/d dq y se reordena la expresin (4.1), se obtiene: ddAIdq e cos),,( 1, Ec. (4. 2) x z y Radiacin emitida d 0 2 d 0 /2 d dA1 dAn Distribucin espectral Emisin de radiacinmonocromtica f( , T) Longitud de onda ( m ) (a) (b) ( r,,)
  • RADIACION SOLAR 5 donde dq tiene unidades de W/m. Potencia emisiva: La intensidad espectral se relaciona con la potencia espectral emisiva hemisfrica mediante la siguiente expresin: ddsenIE e cos),,()( ,2/020 Ec. (4. 3) La potencia espectral emisiva hemisfrica E (Wm-2m-1) representa la intensidad a la que se emite radiacin de longitud de onda en todas direcciones desde una superficie, por unidad de longitud de onda d alrededor de y por unidad de superficie. Obsrvese que E es un flujo que se basa en el rea superficial real, mientras que I,e se basa en el rea proyectada. La potencia emisiva total hemisfrica o potencia emisiva total E (W/m2), es la rapidez a la que se emite radiacin por unidad de rea en todas las longitudes de onda y en todas las direcciones posibles. Su expresin es: dEE )(0 Ec. (4. 4) Sustituyendo la Ec. (4.3) en la Ec. (4.4) se obtiene: dddsenIE e cos),,(,2/0200 Ec. (4. 5) Cuando se integra la densidad de energa para todas las longitudes de onda, la energa total emitida es proporcional a la temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia. El resultado es la ley de Stefan Boltzmann
  • RADIACION SOLAR 6 4sb TE Ec. (4. 6) donde Eb poder emisor (W/m2) constante de Stefan – Boltzmann (5,6710-8 Wm-2K-4) Ts temperatura de la superficie radiante (K). La ecuacin (4.6) permite el clculo de la cantidad de radiacin emitida en todas direcciones y sobre todas las longitudes de onda, simplemente a partir del conocimiento de la temperatura del radiador ideal o cuerpo negro. Ahora bien, el flujo de calor emitido por una superficie real es menor que el de un cuerpo negro a la misma temperatura. Por tanto, el poder emisor de un cuerpo gris est dado por: 4sTE Ec. (4. 7) donde emisividad (0 1) (-). Como se puede intuir, la emisividad es una propiedad que proporciona una medida de la eficiencia con que una superficie emite energa en relacin con un cuerpo negro. Su valor es funcin del material de la superficie y del acabado de la misma (caractersticas superficiales del material; longitud de onda, ; temperatura, T; ngulos, , ). Para superficies slidas toma valores de 0,8 0,2. Se pueden encontrar en bibliografa especializada, expresiones semiempricas para la estimacin de la emisividad, por ejemplo, para la aproximacin general en el clculo de la emisividad de una mezcla de gases y cenizas est dada por: wccws , Ec. (4. 8)
  • RADIACION SOLAR 7 donde s, w , c, representa las emisividades de la ceniza, el vapor de agua y del dixido de carbono, respectivamente c,w factor de correccin por la superposicin de las bandas de emisin del CO2 y H2O Los valores de la emisividad de los gases que aparecen en la Ec. (4.8) se pueden encontrar tabulados en Hotel y Sarofim (1967). Irradiacin: Otra parte importante de las propiedades de la energa de radiacin se encuentra en el estudio de la incidencia en una superficie (Figura 4.3). a) b) Figura 4.3. Caractersticas de la radiacin incidente o irradiacin. a) Sistema de coordenadas esfricas empleado para definir la naturaleza direccional de la radiacin incidente. b) Efectos que acompaan a la radiacin incidente. La intensidad de radiacin incidente se puede relacionar con un flujo denominado irradiacin espectral, G (Wm-2 m-1 ), el cual se define como la velocidad a la que la radiacin de longitud de onda incide sobre una superficie, por unidad de rea de la superficie y por intervalo de longitud de onda unitaria d alrededor de . Su ecuacin es: z y Radiacin incidente d dA1 Radiacin incidente G Absorcin de radiacin G, abs Transmisin G,tr Reflexin G,ref Emisin Medio semitransparente x Radiosidad J
  • RADIACION SOLAR 8 ddsenIG e cos),,(,2/020 Ec. (4. 9) donde sen d d es el ngulo slido unitario. La irradiacin total (W/m2) representa la velocidad a la que incide la radiacin por unidad de rea desde todas las direcciones y en todas las longitudes de onda: 0)( dGG Ec. (4. 10) En la Figura 4.3. (b) se aprecian las propiedades asociadas en un medio semitransparente a la irradiacin: reflectividad (fraccin de la radiacin incidente reflejada por una superficie), absortividad (fraccin de la radiacin incidente absorbida) y transmisividad (fraccin de la radiacin incidente transmitida). Las mismas (como en el caso de la emisin de energa) se caracterizan por su dependencia direccional y espectral. Es deseable, pues, encontrar expresiones para ambas distribuciones sin olvidar otra que integre a
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