Wärmeübertragung im Maschinenbau, Teil III, Strahlung

Letzte Woche haben wir über die Konvektionswärmeübertragung gesprochen und darüber, wie heißes Pflaster auf einem Parkplatz seine Wärme an die Umwelt abgibt. Aber wie wird der Bürgersteig zunächst beheizt? Diese Woche werden wir diskutieren strahlend Wärmeübertragung, um herauszufinden.

Die Sonne ist ein riesiger Atomofen, der durch 93 Millionen Meilen Weltraum von der Erde getrennt ist. Der Raum zwischen ihnen ist nur eine Leere, fast völlig ohne Materie. Ohne zusammenhängende feste oder flüssige Materie zwischen den beiden kann keine Wärmeübertragung durch Leitung oder Konvektion auftreten. Die Wärme, die wir auf der Erde spüren, wird tatsächlich erzeugt, wenn Oberflächen hier Wellen elektromagnetischer Energie absorbieren, die von der Sonne emittiert werden. Obwohl diese Wellen Millionen von Kilometern des Weltraums durchquert haben, haben sie ihre Kraft nicht verloren. Unsere Augen nehmen einige von ihnen als Sonnenstrahlen wahr, aber viele andere sind nicht sichtbar. Aber selbst wenn wir sie nicht sehen können, nehmen unsere Körper sie oft als Wärme wahr.

Die Strahlungswärmeübertragung ist jedoch nicht nur auf die Sonne beschränkt. Es kann auch passieren, wenn etwas in Flammen steht. Intensive Brände können über große Entfernungen enorme Mengen an Strahlungsenergie übertragen. Sie können sogar dazu führen, dass brennbare Materialien in der Nähe in Flammen aufgehen, ohne dass ein direkter Kontakt erforderlich ist. Alles, was erforderlich ist, ist eine Sichtlinie zwischen der Wärmequelle und dem empfangenden Objekt. Dies liegt daran, dass sich die Strahlung in einer geraden Linie bewegt und sich an Ecken nicht biegen kann.

Um die Strahlungswärmeübertragung zu berechnen, müssen wir immer noch den Temperaturunterschied zwischen den Körpern sowie die Wärmeübertragungsfläche berücksichtigen, genau wie wir es bei der Betrachtung der leitenden und konvektiven Wärmeübertragungsfälle getan haben. Da es jedoch keine Leitungs- oder Konvektionsaktivität gibt, müssen wir uns keine Gedanken über Wärmeleitfähigkeit oder Konvektionskoeffizienten machen. Stattdessen müssen wir etwas betrachten, das als Stefan-Boltzmann-Konstante bezeichnet wird, eine kleine Zahl, die so aussieht: 0,000000057 Watt / m2K.4. Es wurde 1879 von einem Wissenschaftler namens Jozef Stefan entdeckt. Es wurde später von seinem Schüler Ludwig Boltzmann in seiner Arbeit über Thermodynamik und Quantenmechanik abgeleitet. Denken Sie jetzt aus unserer Diskussion letzte Woche daran, dass die Einheit “K” für Kelvin (+273,15 ° C) steht.

Jetzt, Ideal Strahlungswärmeübertragungsprobleme beinhalten Berechnungen, bei denen nur die Stefan-Boltzmann-Konstante berücksichtigt werden muss. Mit “ideal” meine ich, dass ein Objekt eine perfekte Strahlungsemission und ein anderes Objekt diese Strahlung perfekt absorbiert. Die Realität ist jedoch normalerweise nicht so, und Probleme mit der Strahlungswärmeübertragung umfassen häufig Berechnungen, die mehr als nur die Stefan-Boltzmann-Konstante betreffen. Sie beinhalten zusätzliche Berechnungen von Begriffen wie Emissionsfaktoren Y. geometrische Faktoren. Was ist das? Weiter lesen.

Emissionsfaktoren Sie beziehen sich darauf, wie gut Objekte im Vergleich zu einem Idealfall Strahlung emittieren und absorbieren. Beispielsweise absorbiert ein glänzendes Objekt nicht so viel Strahlungsenergie wie ein mattschwarzes Objekt. Geometrische Faktoren Sie werden in Strahlungswärmeübertragungsberechnungen einbezogen, um die Formen und die relative Ausrichtung von Objekten zu berücksichtigen, die Strahlung aussenden und empfangen. Haben Sie zum Beispiel jemals bemerkt, dass die Sonne mittags heißer ist als bei Sonnenuntergang? Das liegt daran, dass ein Objekt mit einer Oberfläche parallel zur strahlungsemittierenden Oberfläche mehr Strahlung empfängt als eines, das es nicht ist.

Um Ihnen eine grundlegende Vorstellung davon zu geben, wie die Berechnung der Strahlungswärmeübertragung funktioniert, betrachten wir eine ideale Situation. Angenommen, Sie besitzen ein Ladengebäude mit einem Flachdach. Der Laden liegt direkt am Äquator und es ist der Frühlingspunkt. Das Dachmaterial ist mattschwarz, misst 20 mal 10 Meter und absorbiert Strahlungsenergie wie ein Schwamm. Aber heute ist ein dunkler und bewölkter Tag, und die Deckentemperatur beträgt 25 ° C. Nun, irgendwann in Ihrem Leben haben Sie sicher einen Dokumentarfilm gesehen, in dem Wissenschaftler erklärt haben, dass die Oberflächentemperatur der Sonne ist 5.400 ° C. Wenn die Sonne unter Mittag plötzlich aus den Wolken direkt über ihnen aufgehen würde, wie viel Strahlungswärme würde sie an die Decke übertragen?

Nun, laut Jozef Stefan kann die Strahlungswärmeübertragungsrate wie folgt berechnet werden:

Wärmefluss = (Stefan-Boltzmann-Konstante) x

(Die Dachfläche) x

((Die Temperatur der Sonne)4 – (Die Anfangstemperatur der Decke)4)

Die Begriffe, die wir in die Berechnung des vorherigen Wärmeflusses einführen müssen, lauten nun wie folgt: Die Temperatur der Sonne beträgt: 5400 ° C + 273,15 = 5673,15 K. Die Temperatur der Decke beträgt: 25 ° C + 273,15 = 298,15 K. Die Dachfläche beträgt: 20 Meter x 10 Meter = 200 Meter2. Die Wärmeübertragungsrate beträgt also:

Wärmefluss = (0,000000057 Watt / m2K.4) x (200 m2) x ((5673,15 K) 4 – (298,15 K) 4)

= 11.808.605.250 Watt

Dies wäre die maximale Wärmeübertragungsrate, die das Dach in dem Moment absorbieren könnte, in dem die Sonne aus den Wolken aufgeht.

Aus unserem Beispiel können wir schließen, dass die Strahlungsenergie der Sonne selbst unter nicht idealen Bedingungen enorme Wärmemengen auf der Erdoberfläche erzeugen kann. Ein Großteil dieser Wärme treibt unser Klima aufgrund der konvektiven Wärmeübertragung zwischen der Erdoberfläche und unserer Atmosphäre an.

Damit ist die Diskussion über die Wärmeübertragung im Maschinenbau abgeschlossen. Nächste Woche werden wir über die Bedeutung der Schwingungsanalyse im Design sprechen. Denken Sie daran, was mit Jody Fosters Charakter im Film passiert ist Kontakt Wann begann das Raum / Zeit-Gerät, in dem ich mich befand, heftig zu zittern? So etwas versucht die Schwingungsanalyse zu korrigieren!

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