Радиационное охлаждение что это
Радиационное охлаждение
Механизм
Инфракрасное излучение может проходить через сухой чистый воздух в диапазоне длин волн 8–13 мкм. Материалы, которые могут поглощать энергию и излучать ее в этих длинах волн, обладают сильным охлаждающим эффектом. Материалы, которые также могут отражать 95% или более солнечного света в диапазоне от 200 нанометров до 2,5 мкм, могут охлаждаться даже под прямыми солнечными лучами. [2]
Энергетический бюджет Земли
Система Земля-атмосфера использует радиационное охлаждение для излучения длинноволнового ( инфракрасного ) излучения, чтобы сбалансировать поглощение коротковолновой (видимого света) энергии Солнца.
Конвективный перенос тепла и испарительный перенос скрытого тепла важны для отвода тепла от поверхности и его распределения в атмосфере. Чистый перенос излучения более важен выше в атмосфере. Суточные и географические колебания еще больше усложняют картину.
Ночное охлаждение поверхности
Оценка Кельвином возраста Земли
Термин радиационное охлаждение обычно используется для локальных процессов, хотя те же принципы применимы к охлаждению в течение геологического времени, которое впервые было использовано Кельвином для оценки возраста Земли (хотя его оценка игнорировала значительное количество тепла, выделяемого при распаде радиоизотопа, неизвестно в то время, и эффекты конвекции в мантии).
Ночное производство льда в ранней Индии и Иране
В Индии до изобретения технологии искусственного охлаждения производство льда путем ночного охлаждения было обычным явлением. Аппарат состоял из неглубокого керамического лотка с тонким слоем воды, установленного на открытом воздухе с ясным освещением ночного неба. Дно и борта утеплили толстым слоем сена. В ясную ночь вода теряла тепло за счет излучения вверх. При условии, что воздух был спокойным и не слишком сильно превышал температуру замерзания, приток тепла из окружающего воздуха за счет конвекции был достаточно низким, чтобы вода могла замерзнуть. [5] [6] Подобный метод использовался в Иране. [7]
Архитектура
Наиболее распространенными радиационными охладителями зданий являются белые покрытия для холодных крыш, которые имеют коэффициент отражения солнечного света до 0,94 и коэффициент теплового излучения до 0,96. [10] Солнечная отражательная способность красок возникает из-за оптического рассеяния диэлектрическими пигментами, внедренными в полимерную краску, а тепловая эмиссия возникает из-за полимерной смолы. Однако, поскольку типичные белые пигменты, такие как диоксид титана и оксид цинка, поглощают ультрафиолетовое излучение, коэффициент отражения солнечного света у красок на основе таких пигментов не превышает 0,95.
Другие известные стратегии радиационного охлаждения включают диэлектрические пленки на металлических зеркалах [13] и полимерные или полимерные композиты на серебряных или алюминиевых пленках. [14] Посеребренные полимерные пленки с коэффициентом отражения солнечного света 0,97 и тепловым излучением 0,96, которые остаются на 11 ° C ниже, чем коммерческие белые краски под солнцем середины лета, были опубликованы в 2015 году. [15] Исследователи изучали конструкции с диэлектрическим диоксидом кремния или Частицы карбида кремния, встроенные в полимеры, которые являются полупрозрачными в солнечных длинах волн и излучающими в инфракрасном диапазоне. [16] [17] В 2017 году сообщалось о примере этой конструкции с резонансными полярными микросферами кремнезема, случайно встроенными в полимерную матрицу. [18] Материал прозрачен для солнечного света и имеет коэффициент излучения инфракрасного излучения 0,93 в окне пропускания инфракрасного излучения в атмосферу. При нанесении серебряного покрытия материал достиг полуденной мощности радиационного охлаждения 93 Вт / м 2 под прямыми солнечными лучами, а также высокопроизводительного и экономичного производства с рулона на рулон.
Тепловые экраны
Россиян предупредили о начале радиационного охлаждения
Научный руководитель Гидрометцентра Роман Вильфанд раскрыл причины аномального похолодания в центральной части России и предупредил о начале радиационного охлаждения. Об этом он рассказал в беседе с «Российской газетой».
По его данным, холода будут связаны с тем, что в понедельник, 8 февраля, начнет расти давление и установится антициклональный характер погоды. Кроме того, к этим факторам прибавится процесс радиационного охлаждения. «К радиоактивности это никакого отношения не имеет. Просто при малооблачной погоде — при отсутствии облачного «одеяла» — начнется выхолаживание подстилающей поверхности, то есть земля станет отдавать даже через снег свое тепло. Это приведет к выхолаживанию приземного слоя воздуха», — объяснил метеоролог.
Синоптик добавил, что на выходных из-за влажности и ветра скоростью 6-11 метров в секунду ощущение холода усилится. Однако со следующей недели, когда погода хоть и станет очень морозной, ощущения при нахождении на улице будут другие. Влажность уже будет небольшой, также появится солнце, в связи с чем на улице уже не будет так дискомфортно.
Ранее Вильфанд рассказал россиянам о продолжительности аномальных холодов, которые ожидаются в Центральной России. По словам синоптика, холодной будет вся следующая неделя, резкого повышения температуры не ожидается. Температура воздуха будет на семь градусов ниже нормы уже в воскресенье, в понедельник-вторник аномалия увеличится до восьми градусов. По ночам ожидается до 20-25 градусов ниже нуля, днем — минус 13-18 градусов.
Система радиационного охлаждения работает без электричества и отдает тепло в космос
Все кондиционеры и другие системы охлаждения являются одними из крупнейших потребителей электроэнергии, поэтому поиск способов пассивного охлаждения зданий имеет особенно важное значение в условиях борьбы за климат на Земле. Исследователи из университета Буффало разработали прототип гибридного устройства, способного не только резко охлаждать здания без использования электричества, но и улавливать солнечную энергию для нагрева воды. О разработке пишет журнал Cell Reports Physical Science.
Читайте «Хайтек» в
Системы радиационного охлаждения поглощают тепло из комнаты или здания и излучают его в инфракрасных волнах в сторону неба. На этих длинах волн атмосфера Земли «невидима» для излучения, а это означает, что ничто не мешает теплу выходить прямо в холод космического пространства.
В этих устройствах используются панели из материалов, способных поглощать и излучать тепло. Логичный способ сориентировать эти панели с тепловым излучателем — то есть повернуть одну сторону в небо, как солнечная панель, но команда нового исследования утверждает, что это не самый эффективный метод. Панели излучают тепло с обеих сторон, поэтому в этом положении часть тепла излучается обратно на землю.
Для нового дизайна исследователи из университета Буффало переместили тепловой излучатель так, чтобы тепло могло собираться с обеих сторон и передаваться в космос. Для этого они расположили термоэмиттер вертикально между парой зеркал, расположенных в форме буквы V. Затем эти зеркала отражают инфракрасные волны вверх — в небо.
«Поскольку тепловое излучение от обеих поверхностей центрального теплового излучателя отражается в небо, локальная плотность мощности охлаждения на этом излучателе удваивается, что приводит к рекордному снижению температуры», — говорит Цяоцян Ган, ведущий автор исследования.
В ходе экспериментов команда показала, что устройство способно снизить температуру внутри испытательной установки более чем на 12 °C под прямыми солнечными лучами и более чем на 14 °C в имитируемом ночном времени.
Зеркала сделаны из 10 тонких слоев серебра и диоксида кремния и разработаны таким образом, чтобы избирательно подходить к работе с разными длинами волн. Они отражают средние инфракрасные волны от излучателя, поглощая видимые и ближние инфракрасные волны солнечного света. Это не дает солнечному теплу нейтрализовать охлаждающий эффект, повышая эффективность.
Кроме того, тепло, поглощаемое зеркалами, может быть использовано с пользой — команда использовала его для нагрева воды до 60 °C.
Радиационное охлаждение
Механизм
Инфракрасное излучение может проходить через сухой чистый воздух в диапазоне длин волн 8–13 мкм. Материалы, которые могут поглощать энергию и излучать ее в этих длинах волн, обладают сильным охлаждающим эффектом. Материалы, которые также могут отражать 95% или более солнечного света в диапазоне от 200 нанометров до 2,5 мкм, могут охлаждаться даже под прямыми солнечными лучами. [2]
Энергетический бюджет Земли
Система Земля-атмосфера использует радиационное охлаждение для излучения длинноволнового ( инфракрасного ) излучения, чтобы сбалансировать поглощение коротковолновой (видимого света) энергии Солнца.
Конвективный перенос тепла и испарительный перенос скрытого тепла важны для отвода тепла от поверхности и его распределения в атмосфере. Чистый перенос излучения более важен выше в атмосфере. Суточные и географические колебания еще больше усложняют картину.
Ночное охлаждение поверхности
Оценка Кельвином возраста Земли
Термин радиационное охлаждение обычно используется для локальных процессов, хотя те же принципы применимы к охлаждению в течение геологического времени, которое впервые было использовано Кельвином для оценки возраста Земли (хотя его оценка игнорировала значительное количество тепла, выделяемого при распаде радиоизотопа, неизвестно в то время, и эффекты конвекции в мантии).
Ночное производство льда в ранней Индии и Иране
В Индии до изобретения технологии искусственного охлаждения производство льда путем ночного охлаждения было обычным явлением. Аппарат состоял из неглубокого керамического лотка с тонким слоем воды, установленного на открытом воздухе с ясным освещением ночного неба. Дно и борта утеплили толстым слоем сена. В ясную ночь вода теряла тепло за счет излучения вверх. При условии, что воздух был спокойным и не слишком сильно превышал температуру замерзания, приток тепла из окружающего воздуха за счет конвекции был достаточно низким, чтобы вода могла замерзнуть. [5] [6] Подобный метод использовался в Иране. [7]
Архитектура
Наиболее распространенными радиационными охладителями зданий являются белые покрытия для холодных крыш, которые имеют коэффициент отражения солнечного света до 0,94 и коэффициент теплового излучения до 0,96. [10] Солнечная отражательная способность красок возникает из-за оптического рассеяния диэлектрическими пигментами, внедренными в полимерную краску, а тепловая эмиссия возникает из-за полимерной смолы. Однако, поскольку типичные белые пигменты, такие как диоксид титана и оксид цинка, поглощают ультрафиолетовое излучение, коэффициент отражения солнечного света у красок на основе таких пигментов не превышает 0,95.
Другие известные стратегии радиационного охлаждения включают диэлектрические пленки на металлических зеркалах [13] и полимерные или полимерные композиты на серебряных или алюминиевых пленках. [14] Посеребренные полимерные пленки с коэффициентом отражения солнечного света 0,97 и тепловым излучением 0,96, которые остаются на 11 ° C ниже, чем коммерческие белые краски под солнцем середины лета, были опубликованы в 2015 году. [15] Исследователи изучали конструкции с диэлектрическим диоксидом кремния или Частицы карбида кремния, встроенные в полимеры, которые являются полупрозрачными в солнечных длинах волн и излучающими в инфракрасном диапазоне. [16] [17] В 2017 году сообщалось о примере этой конструкции с резонансными полярными микросферами кремнезема, случайно встроенными в полимерную матрицу. [18] Материал прозрачен для солнечного света и имеет коэффициент излучения инфракрасного излучения 0,93 в окне пропускания инфракрасного излучения в атмосферу. При нанесении серебряного покрытия материал достиг полуденной мощности радиационного охлаждения 93 Вт / м 2 под прямыми солнечными лучами, а также высокопроизводительного и экономичного производства с рулона на рулон.
Тепловые экраны
Радиационное охлаждение что это
Радиационное охлаждение
Вечером, когда температура аккумулирующего устройства оказывается выше температуры коллектора, последний необходимо отключать. Если в качестве рабочей жидкости используется вода, во избежание ее замерзания коллектор также закрывают. Снижение температуры коллектора может произойти в результате потерь энергии на длинноволновое излучение, которое аккумулирующее устройство начинает испускать в окружающее пространство при безоблачном небе. Однако при определенных климатических условиях этот же эффект можно успешно использовать для создания дешевых систем охлаждения.
Такой вид охлаждения возможен в тех случаях, когда атмосферное длинноволновое излучение оказывается менее интенсивным, чем подобное излучение, испускаемое поверхностью тела при температуре окружающей среды. Как явствует из гл. 4, такие условия создаются с наступлением темноты. При облачности или повышенной влажности атмосфера ведет себя как черное тело, поглощая и, следовательно, излучая радиацию. Поскольку и земля проявляет подобные свойства, то при возникновении даже незначительной разности между их температурами начинается процесс излучения в пространство через вышележащие слои атмосферы. В условиях сухого климата при отсутствии поглощения (или слабом поглощении) излучения атмосферным водяным паром спектр поглощения уже не является непрерывным; в нем обнаруживаются так называемые окна, в которых атмосфера фактически прозрачна. Часть излучения в этом случае беспрепятственно рассеивается в пространство и компенсируется длинноволновым излучением атмосферы в меньшей степени.
Большая часть длинноволнового излучения, падающего на землю, испускается нижними слоями атмосферы, лежащими не выше нескольких сотен метров. Надо полагать, что интенсивность этого излучения определяется температурой и влажностью атмосферы вблизи поверхности земли. Безусловно, энергетический спектр этого излучения не соответствует спектру абсолютно черного тела, но, как показывают измерения, его можно рассматривать как часть излучения черного тела при температуре окружающей среды. Обычно мощность длинноволнового излучения атмосферы определяют из следующего соотношения:
где wа есть мера влажности атмосферы, значение которой мы подробно рассмотрим в следующем разделе.
Сейчас же мы ограничимся предположением, что в условиях сухого климата интенсивность длинноволнового атмосферного излучения в два раза ниже интенсивности излучения черного тела при температуре окружающей среды.
Рис. 30. Простой радиационный охладитель с естественной циркуляцией
Устройство подобного холодильника показано на рис. 30. Хотя по своей конструкции он напоминает солнечный нагреватель, все процессы осуществляются в нем в противоположном направлении. Действительно, коллектор нагревателя можно использовать ночью в качестве радиатора, соединенного с другим аккумулирующим устройством. С учетом предположений, сделанных при анализе работы нагревателя, уравнение теплового баланса радиатора запишется в виде
В следующей главе, говоря о холодильных установках, мы снова вернемся к вопросу охлаждения. Здесь же мы рассматриваем главным образом системы, работа которых основана на процессах теплового обмена, и прежде чем перейти к исследованию возможностей этих процессов, коротко остановимся еще на нескольких системах подобного рода.