مفاهیم پایه ای انتقال حرارت تابشی
نوید احمدی
| دسته بندی:
مبانی انرژی و آسایش حرارتی
| تاریخ انتشار:
11 اسفند 1398
مفاهیم پایه ای انتقال حرارت تابشی
تابش به عنوان یکی سه روش اصلی انتقال حرارت می باشد که شناخت آن در انجام شبیه سازی ها و محاسبات انتقال حرارت حائز اهمیت می باشد. به همین دلیل در این پست قصد داریم شما را با مفهوم وایده ی کلی تابش آشنا کنیم و به بررسی چهار تعریف پایه ای در مبحث انتقال حرارت به روش تابش بپردازیم. در ادامه با آپ گرین گرید همراه باشید.
مفهوم تابش
جسم صلبی که در ابتدا در دمای Ts بالاتر از دمای محیط اطراف Tsur قرار دارد و محیط اطراف آن در خلا است را در نظر بگیرید. وجود خلا از اتلاف انرژی به شکل رسانش یا جابجایی از سطح جلوگیری میکند. اما، مشاهدات نشان می دهد که جسم سرد شده و در نهایت به تعادل گرمایی با محیط اطراف خواهد رسید. این خنک شدن با کاهش انرژی داخلی ذخیره شده در جسم مرتبط بوده و نتیجه ی مستقیم گسیل تابش گرمایی از سطح است. سطح به نوبه خود، تابش از محیط اطراف را دریافت و جذب میکند. اما، اگر Ts>Tsur باشد، آهنگ انتقال گرمای خالص توسط تابش qrad,net از سطح خواهد بود و سطح تا رسیدن دمای Ts به Tsur خنک خواهد شد.
تابش گرمایی با آهنگ گسیل انرژی توسط ماده که نتیجه دمای معین آن است، مرتبط می باشد. در هر لحظه تابش گرمایی توسط تمام اجسام اطراف ما انتشار می یابد. معمولا اگر در داخل اتاق باشید، توسط مبلمان و و دیوارهای اتاق و اگر در محیط بیرون باشید، توسط زمین، ساختمان، اتمسفر و خورشید صورت می گیرد. سازوکار گسیل به انرژی حاصل از نوسانها یا گذارهای متعدد الکترون های سازنده ی جسم مرتبط است. این نوسانها، به نوبه خود، توسط انرژی داخلی و در نتیجه دمای ماده می باشد. بنابراین گسیل تابش گرمایی به شرایط برانگیخته شدن گرمایی درون ماده مرتبط است.
ماهیت تابش
تابش ناشی از گسیل انرژی از ماده است و انتقال بعدی آن به هیچ وجه به وجود ماده ای نیاز ندارد. دو نظریه در مورد ماهیت تابش وجود دارد. یک نظریه تابش را به صورت گسیل مجموعه ای از درات به نام فوتون در نظر می گیرد. در نظریه دیگر، تابش را می توان به صورت گسیل امواج الکترومغناطیس در نظر گرفت. دو نظریه خواص استاندارد موج از قبیل فرکانس و طول موج را به تابش نسبت میدهند. برای گسیل تابش در یک محیط ویژه، این دو خصوصیت، با رابطه ی زیر به هم مربوط می شوند.
λ=c/v
که در آن c سرعت نور در ماده است. برای گسیل در خلاء، c0=2998X108 m/sو واحد طول موج نیز به طور معمول میکرومتر (mμ) است.
ماهیت طیفی و جهتی تابش
طیف امواح الکترومغناطیس در شکل زیر نشان داده شده است. امواح با طول موج کوتاه، مانند اشعه گاما، اشعه ایکس و ماورابنفش مورد توجه زیاد فیزیکدانها در مبحث انرژی های بالا و مهنسان هسته ای هستند، در حالی که طول موجهای بلند شامل امواج میکروویرو و امواج رادیویی (λ> میکرو متر 105) مورد توجه مهندسان برق قرار دارند. بخش میانی طیف، گستره ی تقریبا بین 0.1 تا 100 میکرو متر قرار دارد و بخشی از امواج ماورا بنفش و تمام نور مرئی و مادون قرمز را در بر میگیرد. این بخش تابش گرمایی نامیده می شود. زیرا این بخش هم به وضعیت گرمایش و هم به دمای ماده مربوط است و هم بر آن موثر است. به این دلیل است که ناحیه تابش گرمایی در در مبحث انتقال حرارت مورد توجه قرار می گیرد.
تابش گرمایی گسیل یافته توسط یک سطح گستره وسیعی از طول موجها را در بر میگیرد. مطابق شکل زیر بزرگی تابش با طول موج تغییر می یابد و واژه طیفی برای نشان دادن این وابستگی به کار می رود. هم بزرگی تابش در هر طول موج و هم توزیع طیفی با طبیعت و دمای سطح گسیل کننده تغییر می یابند.
ماهیت طیفی تابش گرمایی یکی از دو ویژگی تابش است. ویژگی دوم به جهت گیری آن وابسته است. مطابق شکل بالا سطح ممکن است در جهات معینی گسیل انجام دهد، که توزیع جهتی تابش گسیل یافته را بوجود می آورد.
شارهای گرمایی تابشی
گونه های مختلفی از شارهای گرمایی به تحلیل انتقال گرمای تابشی وابسته هستند که در جدول زیر چهار شار تابشی متفاوت که می توانند در یک سطح تعریف شوند آورده شده است.
شار | تعریف | توضیحات |
توان گسیل ، (w/m2) E | آهنگ تابش گسیل یافته از سطح به ازای مساحت سطح واحد روی تمام طول موجها و در تمام جهات. این توان گسیل به رفتار جسم سیاه بستگی دارد. | E=εσT4 ε: ضریب گسیل سطح σ: ثابت استفان بولتزمن |
پرتوگیری، (w/m2) G | آهنگ برخورد تابش به سطح به ازای مساحت سطح واحد روی تمام طول موجها و و در تمام جهات. | پرتوگیری می تواند جذب، بازتاب یا عبور داده شود. [1] |
پرتودهی، (w/m2) J | آهنگ تابش خروجی از سطح به ازای مساحت واحد. | برای یک سطح کدر پرتودهی برابر است با: J=E+Gref=E+ρG |
شار تابشی خالص، (w/m2) ''q | آهنگ تابش خالص خروجی از سطح که اختلاف بین تابش ورودی و خروجی است. | q''=J-G=E+ρG-G= εσT4-αG |
[1] - گذر به تابش عبوری از محیط اشاره داشته و هنگامی اتفاق می افتد که لایه ای از آب یا صفحه ای شیشه ای توسط خورشید یا نور مصنوعی پرتوگیری شود. جذب زمانی اتفاق می افتد که تابش بر محیط اثر کند و باعث افزایش در انرژی گرمایی داخلی محیط شود. بازتاب فرآیندی است که تابش ورودی به سطح را دوباره از سطح برگشت می دهد و تاثیری بر محیط نمی گذارد. در مورد این سه فرآیند و ضرایب آن رابطه ی زیر برقرار است:
α+ε+ρ=1
در این پست با مفاهیم و تعاریف کلی تابش جهت بهره بردن در محاسبات عددی و شبیه سازی های رایانه ای آشنا شدیم. در پست های بعدی عمیق تر به این موضوع خواهیم پرداخت. با تیم آپ گرین گرید همراه باشید.
منبع: INCROPERA, F. P., & DEWITT, D. P. (2002). Fundamentals of heat and mass transfer. New York, J. Wiley.