tecnica del controllo ambientale – a. a. 2004/05 trasmissione del calore irraggiamento emissione...

Tecnica del Controllo Ambientale – A. A. 2004/05

Trasmissione del Calore

IRRAGGIAMENTOIRRAGGIAMENTO

Emissione di energia termica e sua

propagazione sotto forma di onde

elettromagnetiche

T1 T2

VUOTO



La proprietà e gli effetti di tali radiazioni differiscono al variare della lunghezza d’onda

vT Tv

1 vf

T



Classificazione delle onde elettromagneticheClassificazione delle onde elettromagnetiche

Lunghezza d’ondaLunghezza d’onda

[m]

FrequenzaFrequenza

[kHz]

ImpiegoImpiego

1011 - 1013 3·101 - 3·103 Industria e telefonia

1010 - 1011 3·103 - 3·104 Radionavigazione

109 - 1010 3·104 - 3·105 Radiodiffusione (o.l.)

108 - 109 3·105 - 3·106 Radiodiffusione (o.m.)

107 - 108 3·106 - 3·107 Radiodiffusione (o.c.)

106 - 107 3·107 - 3·108 Televisione




Lunghezza d’ondaLunghezza d’onda

[m]

FrequenzaFrequenza

[kHz]

ImpiegoImpiego

103 - 106 3·108 - 3·1011 Sistemi radar

100 – 103 3·1011 - 3·1014 Scambio termico radiativo

10-1 - 100 3·1014 - 3·1015 Radiazione visibile

10-2 – 10-1 3·1015 - 3·1016 Radiazione ultravioletta

10-5 – 10-2 3·1016 - 3·1019 Rontgenscopia

10-8 – 10-5 3·1019 - 3·1022 Gammascopia, Radioisotopi




Radiazione visibile 0 380 0 760. m . m

Radiazione ultravioletta

UVC 0.230 m< <0.280 m

UVB 0.280 m< <0.315 m

UVA 0.315 m< <0.380 m

Radiazione infrarossa 0 760 100. m m



Grandezze RadiativeGrandezze Radiative

0

Potere emissivo totale Potere emissivo totale EE

Energia termica emessa dalla superficie considerata Energia termica emessa dalla superficie considerata

nell’unità di tempo e per unità di areanell’unità di tempo e per unità di area

Irradiazione totale Irradiazione totale II

Energia che incide sulla superficie considerata Energia che incide sulla superficie considerata

nell’unità di tempo e per unità di areanell’unità di tempo e per unità di area




0

Radiosità totale Radiosità totale RR

Energia che lascia, per emissione e riflessione, la Energia che lascia, per emissione e riflessione, la

superficie considerata nell’unità di tempo e per superficie considerata nell’unità di tempo e per unità di areaunità di area

Grandezze Radiative Grandezze Radiative monocromatiche o spettralimonocromatiche o spettrali E I R




0E E d

0I I d

0R R d



Assorbimento, Riflessione e Assorbimento, Riflessione e TrasmissioneTrasmissione

1 2

I

Ir

ItIa

aliquota dell’irradiazione riflessa

aliquota dell’irradiazione trasmessa

aliquota dell’irradiazione assorbita




aIa

I

1 2

I

Ir

ItIa

0

rIr

I

tIt

I

a trI IIa r t

I I I




a trI IIa r t

I I I

I coefficienti a, r e t sono grandezze totali e possono assumere valori compresi tra 0 e 1

1a r t



Superficie con Superficie con a=a=11

Assorbe completamente la radiazione incidente su di essa

a=1 r=0 t=0

Superficie termicamente nera

1a r t



Superficie con Superficie con aa=1=1




Superficie con Superficie con rr=1=1

Riflette completamente la radiazione incidente su di essa

a=0 r=1 t=0

1a r t



Superficie con Superficie con tt=1=1

Trasmette completamente la radiazione incidente su di essa

a=0 r=0 t=1

1a r t



Coefficienti monocromatici Coefficienti monocromatici o spettralio spettrali a r t


Alcuni materiali presentano caratteristiche di emissione, assorbimento e trasmissione variabili con



• 0.70m < < 2.0m t > 0.90

> 2.7m o < 0.20m il vetro risulta praticamente opaco alla radiazione




Superfici idealiSuperfici ideali

Assorbitore ideale

Mostra particolari caratteristiche anche in emissione



IPOTESIIPOTESI

Regime stazionarioRegime stazionario

Supefici limite con Supefici limite con identiche caratteristiche identiche caratteristiche radiativeradiative

Stessa irradiazione IStessa irradiazione I

Materiale omogeneo e Materiale omogeneo e isotropoisotropo

Superfici isoterme Superfici isoterme

VUOTO VUOTO

VC1 VC2

I I

rI rI

E E

P



I = E+rI = R

VUOTO VUOTO

VC1 VC2

I I

rI rI

E E

P



IPOTESIIPOTESI


Supefici limite con Supefici limite con identiche caratteristiche identiche caratteristiche radiativeradiative

Stessa irradiazione IStessa irradiazione I

Materiale omogeneo e Materiale omogeneo e isotropoisotropo

Superfici isoterme Superfici isoterme

VUOTO VUOTO

VC1 VC2

I I

E E

Pn



I = En = Rn

L’assorbitore ideale è anche un emettitore

ideale

VUOTO VUOTO

VC1 VC2

I I

E E

Pn



Per il corpo nero l’emissione di energia Per il corpo nero l’emissione di energia termica per irraggiamento è regolata da termica per irraggiamento è regolata da

tre leggi fondamentalitre leggi fondamentali

Legge di Stefan-BoltzmannLegge di Stefan-Boltzmann

4nE T

5.67 x 10-8 W/(m2K4)



Legge di PlanckLegge di Planck

Legge di WienLegge di Wien

2

15 1

n C / T

CE

e

3.741 x 108 Wm4/m2

1.439 x 104 mK

3maxT C 2898 mK



Andamento di Andamento di EEnn in funzione di in funzione di



Emissività totaleEmissività totale

Superfici realiSuperfici reali

n

E

E

Emissività monocromaticaEmissività monocromatica

4nE E T

n

E

E

2

1/5 1

n C T

CE E

e



Legge di KirchoffLegge di Kirchoff

Superfici realiSuperfici reali

a

AB

AC



Superfici grigieSuperfici grigie

0

0

0

, ( )

( )

aa T superficie I cavità dI

aI I cavità d

0

0

, ( )

( )

T superficie I cavità da

I cavità d

costante a




0

0

, ( )

( )


I cavità d

0

0

, ( )

( )


I cavità d




costante

0

0

( )( , )

( )

I cavità da T superficie

I cavità d

0

0

, ( )

( )


I cavità d

( , )a T superficie



Fattore di configurazione Fattore di configurazione geometricageometrica

P’

P’’

S1 S2

S4

S1

S2S3

P




1,21 2

1

Energia raggiante che lascia S e incide direttamente su SF

Energia raggiante totale cha lascia S

1,20 1F




1

2

1

2

F1,2=F2,1=1 F1,2=1 e F2,1<1



Proprietà dei fattori di Proprietà dei fattori di configurazione geometricaconfigurazione geometrica

A1 F1,2= A2 F2,1

Proprietà della reciprocità

Se A2<<A1 F1,2=(A2/A1)F2,10




1

4

2

3

A1 R1=A1 F1,1R1+A1 F1,2 R1+ +A1 F1,3 R1+ A1 F1,4 R1

Proprietà della cavità

F1,1 + F1,2 + F1,3 + F1,4= 1

,1

1n

i jj

F




Proprietà additiva1

a

bF1,2= F1,(a+b)= F1,a + F1,b



Scambio termico radiativoScambio termico radiativo

Piastre piane parallele Piastre piane parallele indefiniteindefinite


TT1 1 > T> T22

IPOTESIIPOTESI

F1,2=F2,1=1

1 2

VC1 VC2

q1 q2E1 E2

r I1 1 r I2 2

I1 I2




1 1 2q q

Bilancio di energia relativo a VC1Bilancio di energia relativo a VC1

1 1 1 1 1q I E r I

1 1 1 1 1q E r I I

1 1 1q R I 1 2

VC1 VC2

q1 q2E1 E2

r I1 1 r I2 2

I1 I2




1 2 1 1q R I

2 2 2q R I

Bilancio di energia relativo a VC2Bilancio di energia relativo a VC2

2 2 2 2 2

2 2

I q r I E

q R

1 2

VC1 VC2

q1 q2E1 E2

r I1 1 r I2 2

I1 I2




2 2 2 2 1q R I q

2 1R I 2 1I R

1 2 1 2 2 1q R R q




4 41 2 1 2q T T

41 1 1

42 2 2

n

n

R E T

R E T

Superfici nereSuperfici nere

r1=r2=0 t1=t2=0




1 1 1 1

2 2 2 2

R E r I

R E r I


a1 = 1

a2 = 2

r1 = 1-a1

r2 = 1-a2

(corpo opaco)(corpo opaco)




1 1 1 1

2 2 2 2

R E r I

R E r I

a1 = 1

a2 = 2

r1 = 1-a1

r2 = 1-a2

41 1 1 1 1

42 2 2 2 2

1

1

R T I

R T I

Superfici grigie Superfici grigie

(corpo opaco)(corpo opaco)





41 1 1 1 1

42 2 2 2 2

1

1

R T I

R T I

42 1 1 1 1

41 2 2 2 2

1

1

I T I

I T I





42 1 1 1 1

41 2 2 2 2

1

1

I T I

I T I

42 1 1 1 1

41 2 2

22

1

1

I T I

I TI





42 1 1 1 1

41 2 2

22

1

1

I T I

I TI

4

41 2 21 1 1 1

2

11

I TT I





4 41 2 2 2 1 1 1 2 11 1 1I T T I

4

41 2 21 1 1 1

2

11

I TT I





4 41 2 2 2 1 1 1 2 11 1 1I T T I

4 41 1 2 1 2 2 2 2 1 11 1 1I T T

4 42 2 2 1 1

11 2 1 2

1T TI





4 41 1 1 2 2

11 2 1 2

1T TR

4 4 4 41 1 1 2 2 2 2 2 1 1

1 21 2 1 2 1 2 1 2

4 41 2 1 2

1 2 1 2

1 1

=

T T T Tq

T T





4 41 2 1 2

1 21 2 1 2

q =T T

2 4 41 2

1 2 2q =

2

T T

4 41 2

1 2q =2

1

T T

se 1= 2=



EFFETTO SERRAEFFETTO SERRA

• 0.2m < < 3m t 1• > 3m oppure < 0.2m t 0.1




Ts= 5500K max= 0.53m

Energia solare incidente sulla superficie nera




T = 373K max = 7.8m

Circa il 10% di En viene trasmesso



OSSERVAZIONIOSSERVAZIONI

• La piastra captante non ha un comportamento da corpo nero (r0)• Esiste una piccola aliquota di radiazione solare

incidente riflessa dalla piastra captante• L’aliquota riflessa conserva la stessa lunghezza

d’onda della radiazione incidente• Nell’intercapedine tra vetro e piastra non vi è il

vuoto ma semplicemente aria• Bisogna tener conto dei fenomeni di trasporto

convettivo

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