Radiační chlazení - Radiative cooling

Intenzita tepelného záření Země z dlouhých vln , z mraků, atmosféry a povrchu.

Radiační chlazení je proces, při kterém tělo ztrácí teplo tepelným zářením . Jak popisuje Planckův zákon , každé fyzické tělo spontánně a nepřetržitě vyzařuje elektromagnetické záření .

Pozemské radiační chlazení

Mechanismus

Infračervené záření může procházet suchým, čistým vzduchem v rozsahu vlnových délek 8–13 µm. Materiály, které mohou absorbovat energii a vyzařovat ji v těchto vlnových délkách, vykazují silný chladicí účinek. Materiály, které mohou také odrážet 95% nebo více slunečního světla v rozmezí 200 nanometrů až 2,5 µm, mohou vykazovat chlazení i na přímém slunci.

Energetický rozpočet Země

Další informace: Energetický rozpočet Země

Systém Země-atmosféra využívá radiační chlazení k vyzařování dlouhovlnného ( infračerveného ) záření k vyvážení absorpce energie krátkých vln (viditelného světla) ze Slunce.

Konvekční transport tepla a odpařovací přenos latentního tepla jsou důležité při odstraňování tepla z povrchu a jeho distribuci v atmosféře. Čistý radiační transport je důležitější výše v atmosféře. Denní a geografické rozdíly dále komplikují obraz.

Cirkulace zemské atmosféry ve velkém měřítku je poháněna rozdílem absorbovaného slunečního záření na metr čtvereční, protože slunce v tropech ohřívá Zemi více , většinou kvůli geometrickým faktorům. Atmosférický a oceánský oběh přerozděluje část této energie jako citelné teplo a latentní teplo částečně prostřednictvím středního toku a částečně prostřednictvím vírů, známých jako cyklóny v atmosféře. Tropy tedy vyzařují do prostoru méně, než by byly, kdyby neexistovala žádná cirkulace, a póly vyzařují více; v absolutním vyjádření však tropy vyzařují do vesmíru více energie.

Noční povrchové chlazení

Radiační chlazení se běžně vyskytuje v bezoblačných nocích, kdy je teplo vyzařováno do prostoru z povrchu Země nebo z kůže lidského pozorovatele. Tento efekt je mezi amatérskými astronomy dobře známý . Efektu je možné dosáhnout porovnáním teploty pokožky z pohledu přímo nahoru na bezoblačnou noční oblohu na několik sekund, s tím, že po vložení listu papíru mezi obličej a oblohu. Protože vesmír vyzařuje přibližně při teplotě 3 kelviny (-270 stupňů Celsia nebo -450 stupňů Fahrenheita ) a list papíru vyzařuje při teplotě přibližně 300 kelvinů (pokojová teplota), list papíru vyzařuje na tvář více tepla než potemnělý vesmír. Efekt je otupen okolní atmosférou Země, a zejména vodní párou, kterou obsahuje, takže zdánlivá teplota oblohy je mnohem teplejší než vesmír. List neblokuje chlad; místo toho list odráží teplo na obličej a vyzařuje teplo obličeje, které právě absorbovalo.

Stejný radiační chladicí mechanismus může způsobit tvorbu námrazy nebo černého ledu na površích vystavených jasné noční obloze, i když okolní teplota neklesne pod bod mrazu.

Kelvinův odhad stáří Země

Další informace: Age of the Earth

Termín radiační chlazení se obecně používá pro místní procesy, i když stejné zásady platí pro chlazení v geologickém čase, které poprvé použil Kelvin k odhadu stáří Země (ačkoli jeho odhad ignoroval podstatné teplo uvolňované rozpadem radioizotopů, není známo) v té době a účinky konvekce v plášti).

Astronomie

Radiační chlazení je jedním z mála způsobů, jak může předmět v prostoru vydávat energii. Zejména bílé trpasličí hvězdy již nevytvářejí energii fúzí nebo gravitační kontrakcí a nemají sluneční vítr. Jediným způsobem, jak se jejich teplota mění, je radiační chlazení. Díky tomu je jejich teplota jako funkce věku velmi předvídatelná, takže pozorováním teploty mohou astronomové odvodit věk hvězdy.

Aplikace

Noční výroba ledu na počátku Indie a Íránu

V Indii byla před vynálezem umělé chladicí technologie běžná výroba ledu nočním chlazením. Zařízení sestávalo z mělké keramické vaničky s tenkou vrstvou vody umístěné venku s jasným vystavením noční obloze. Dno a boky byly izolovány silnou vrstvou sena. Za jasné noci by voda ztratila teplo vyzařováním nahoru. Za předpokladu, že vzduch byl klidný a ne příliš vysoko nad bodem mrazu, byl tepelný zisk z okolního vzduchu prouděním dostatečně nízký, aby voda mohla zmrznout. Podobná technika byla použita v Íránu.

Architektura

Chladné střechy kombinují vysokou sluneční odrazivost s vysokou infračervenou emisí, čímž současně snižují tepelný zisk ze slunce a zvyšují odvod tepla zářením. Radiační chlazení tak nabízí potenciál pro pasivní chlazení pro obytné a komerční budovy. Tradiční povrchy budov, jako jsou nátěry, cihly a beton, mají vysokou svítivost až 0,96. V důsledku toho vyzařují teplo na oblohu a v noci pasivně chladí budovy. Pokud jsou tyto materiály dostatečně odrážející sluneční světlo, mohou také během dne dosáhnout radiačního chlazení.

Nejběžnějšími radiačními chladiči, které se na budovách nacházejí, jsou bílé nátěry na chladné střechy, které mají sluneční odrazivost až 0,94 a tepelné emise až 0,96. Sluneční odrazivost barev vychází z optického rozptylu dielektrickými pigmenty uloženými v pryskyřici polymerní barvy, zatímco tepelná emitance vychází z polymerové pryskyřice. Protože však typické bílé pigmenty, jako je oxid titaničitý a oxid zinečnatý, absorbují ultrafialové záření, sluneční odrazivost barev na bázi těchto pigmentů nepřesahuje 0,95.

V roce 2014 vědci vyvinuli první denní sálavý chladič využívající vícevrstvou tepelnou fotonickou strukturu, která selektivně vyzařuje infračervené záření s dlouhou vlnovou délkou do prostoru a může dosáhnout přímého slunečního záření pod okolním chladem o 5 ° C. Pozdější vědci vyvinuli natíratelné porézní polymerní povlaky, jejichž póry rozptylují sluneční světlo, aby poskytly sluneční odrazivost 0,96-0,99 a tepelnou emisivitu 0,97. V experimentech na přímém slunci dosahují povlaky 6 ° C pod okolní teplotou a chladicí výkony 96 W/m 2 .

Mezi další pozoruhodné radiační chladicí strategie patří dielektrické filmy na kovových zrcadlech a polymerní nebo polymerní kompozity na stříbrných nebo hliníkových fóliích. Postříbřený polymerní filmy se solárními odrazu 0,97 a tepelným emitance 0,96, které zůstávají v 11 ° C chladnější než komerční bílých barev pod polovině letní slunce, byly popsány v roce 2015. Výzkumníci zkoumány design s dielektrickým oxidem křemičitým nebo karbidu křemíku částice zapuštěné v polymerech které jsou průsvitné ve slunečních vlnových délkách a vyzařující v infračerveném. V roce 2017 byl uveden příklad tohoto návrhu s rezonančními mikrosférami polárního oxidu křemičitého náhodně uloženými v polymerní matrici. Materiál je průsvitný na sluneční světlo a v infračerveném atmosférickém přenosovém okně má infračervenou emisivitu 0,93. Když je materiál opatřen stříbrným povlakem, dosáhl poledního radiačního chladicího výkonu 93 W/m 2 za přímého slunečního svitu spolu s vysokou propustností a ekonomickou výrobou roll-to-roll.

Tepelné štíty

Povlaky s vysokou emisivitou, které usnadňují radiační chlazení, mohou být použity v opakovaně použitelných systémech tepelné ochrany (RTPS) v kosmických a hypersonických letadlech. V takových tepelných štítech je na tepelně izolační keramický substrát nanesen materiál s vysokou emisivitou, jako je disilicid molybdenu (MoSi 2 ). U takových tepelných štítů je třeba udržovat vysoké úrovně celkové emisivity , typicky v rozmezí 0,8 - 0,9, v rozsahu vysokých teplot. Planckův zákon diktuje, že při vyšších teplotách se radiační emisní vrchol přesouvá na nižší vlnové délky (vyšší frekvence), což ovlivňuje výběr materiálu jako funkci provozní teploty. Kromě účinného radiačního chlazení by systémy radiační tepelné ochrany měly poskytovat toleranci poškození a mohou zahrnovat funkce samoléčení tvorbou viskózního skla při vysokých teplotách.

Viz také

Reference