TERMOMECHANIKA 19. Přenos tepla zářením

Transkript

1 FSI VUT v Brně, nergetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. TRMOMCHANIKA 9. Přenos tepla zářením OSNOVA 9. KAPITOLY Šíření záření Hustota zářivého toku I. Kirchhoffův zákon Planckův vyzařovací zákon Wienův posunovací zákon Stefanův - Boltzmannův zákon II. Kirchhoffův zákon Vzájemné záření povrchů Skleníkový efekt Termovizní měření

2 ŠÍŘNÍ ZÁŘNÍ - Každý objekt je zdrojem elektromagnetického záření, které má vlnový i korpuskulární charakter. Typy záření rozlišujeme dle vlnové délky [m] Záření, X Ultrafialové Infračervené 0, μm Ultrakrátké vlny 0,00-0, m Hertzovy vlny 0,- m Rádiové vlny -500 m Světelné záření nm Tepelné záření 00 nm - 0, mm log λ Záření, viz též skripta kap..-.5 a.7 Pokud se většina zářivého toku přemění při dopadu na jiný objekt na tepelný tok, hovoříme o tepelném záření. To platí pro záření objektů o běžných teplotách, ale také pro záření slunce. Záření se šíří rychlostí c, která je závislá na druhu prostředí. Rychlost šíření záření ve vakuu c 0 má hodnotu c 0 = (, ± 0, ).0 8 m.s tis. km.s -

3 ŠÍŘNÍ ZÁŘNÍ - Místo rychlosti šíření záření se někdy používá index lomu n c 0 c V nehomogenním prostředí se záření nešíří přímočaře, viz: Huygensův princip Body, kam záření dospělo, jsou sekundární zdroje. Obálka kulových vln za čas tvoří novou vlnoplochu. Snellův zákon Při záření z opticky řidšího prostředí do hustšího se paprsky lámou ke kolmici n sinα nsinα Pro vlnovou délku [m] a frekvenci záření f [Hz] platí: z 0 x n > n D C y A n (x, y, z) B a) A n b) B C D n n n n < n C B n < n A B A λ c f n C n 3

4 HUSTOTA ZÁŘIVÉHO TOKU HUSTOTA ZÁŘIVÉHO TOKU = ZÁŘIVOST [W.m - ] je při úplné Zářivý tok z určité plochy je pak dán součinem hustoty zářivého toku (zářivosti) a plochy S q Q S přeměně energie záření na teplo rovna hustotě tepelného toku. Spektrální hustotu zářivého toku [W.m -3 ] definujeme pro monochromatické záření ( až +d ) λ d dλ V oblasti světelného záření je spektrální hustota zářivého toku úměrná intenzitě sledované barvy (spektrální intenzitě o vlnové délce až +d ) = 350 nm Spektrum světelného záření = 760 nm 4

5 I. KIRCHHOFFŮV ZÁKON - Při dopadu zářivého toku na povrch může dojít k odrazu, pohlcení, nebo také k průchodu zářivého toku tělesem. Pro energetickou bilanci platí Q Q a Q Q Úpravou dostaneme Q Q Q a r t Q Q Q r I. KIRCHHOFFŮV ZÁKON má tvar a r t t Jedná se o zákon zachování energie, kde značí: a absorptanci, a = je dokonale černé těleso r reflektanci, r = je dokonale bílé těleso t transmitanci, t = je dokonale transparentní (průteplivé) těleso Q Q t Q r Q a 5

6 I. KIRCHHOFFŮV ZÁKON - a =, r = nebo t = NXISTUJ Téměř černé těleso lze realizovat černými matnými dutinami T=konst T=konst T=konst Q Q Q Pevné látky (kromě slídy, kazivce, kuchyňské soli ) mají t = 0 a r Dvouatomové plyny (H, O, N, vzduch ) mají t = Víceatomové plyny (vodní pára, CO, ) mají t < a r t 6

7 0 [W.cm -3 ] PLANCKŮV VYZAŘOVACÍ ZÁKON - SLOVNÍ FORMULAC PLANCKOVA ZÁKONA Záření o frekvenci f = c/ [Hz] může být vyzařováno nebo pohlcováno jen po kvantech energie o velikosti e = h.f [J], kde h = 6, [J.s] je Planckova konstanta. MATMATICKÁ FORMULAC PLANCKOVA ZÁKONA plyne ze slovní formulace a definuje spektrální hustotu zářivého toku dokonalého zářiče 0 λ 5 c λ c exp λt c = c.h c = 3, W.m c =, K.m 0 λ f λ,t [m] 7

8 PLANCKŮV VYZAŘOVACÍ ZÁKON - S rostoucí teplotou roste spektrální hustota zářivého toku dokonalého zářiče a maximální hodnota se posouvá ke kratším vlnovým délkám. ZÁŘNÍ RÁLNÝCH ZDROJŮ Nedokonalý zářič má pro každé menší než dokonalý zářič, maximum je při stejné teplotě na stejné vlnové délce. Reálný zářič má v závislosti na značně proměnné. Dokonalý zářič o teplotě T Nedokonalý zářič o teplotě T Selektivní zářič září pouze v některých oblastech Reálný zářič o teplotě T Záření plynů Záření laserů Plyny a lasery vyzařují jen úzké spektrální čáry Selektivní zářič 8

9 WINŮV POSUNOVACÍ ZÁKON Wienův zákon získáme z Planckova zákona derivací spektrální hustoty zářivého toku 0 dokonalého zářiče dle vlnové délky a tuto derivaci položíme rovnu nule. Tím dostaneme spojnici maxim izoterem v diagramu závislosti spektrální hustoty zářivého toku dokonalého zářiče 0 na vlnové délce. d0λ 0 d λ MATMATICKÁ FORMULAC WINOVA ZÁKONA λ MAX T konst 0 Wienův posunovací zákon T 3 > T T > T T kde uvedená konstanta má hodnotu [m.k] Planckův zákon SLOVNÍ FORMULAC WINOVA ZÁKONA S rostoucí teplotou zářiče se posouvá maximální hodnota spektrální hustoty zářivého toku ke kratším vlnovým délkám 9

10 STFANŮV - BOLTZMANNŮV ZÁKON - Stefanův - Boltzmannův zákon získáme z Planckova zákona integrací spektrální hustoty zářivého toku 0 dokonalého zářiče přes celý rozsah vlnových délek, a to za konstantní teploty. 0 0 λ d λ 0 MATMATICKÁ FORMULAC STFANOVA-BOLTZMANNOVA ZÁKONA 0 σ 0 T 4 0 Stefanův - Boltzmannův zákon, 0 = f(t) T 3 > T T > T T 0 = 5, W.m -.K -4 je Stefanova - Boltzmannova konstanta Planckův zákon SLOVNÍ FORMULAC STFANOVA - BOLTZMANNOVA ZÁKONA Hustota zářivého toku dokonalého zářiče je úměrná čtvrté mocnině absolutní teploty 0

11 STFANŮV - BOLTZMANNŮV ZÁKON - Pokud se přemění zářivý tok při dopadu na objekt na tepelný tok, lze Stefanův - Boltzmannův zákon psát ve tvaru q 0 4 σ 0 T Q0 σ 0 S T Nedokonalé zářiče mají tepelný tok menší než zářiče dokonalé a platí: q 4 σ 0 T Q σ 0 S T [-] - emisivita (poměrná zářivost) 4 4 Termogram FSI VUT misivita (poměrná zářivost) Změna barvy bývá způsobena Nabývá hodnot od 0 do ( = je teplotou, ale i emisivitou nebo dokonalý zářič, = 0 povrch nezáří) odraženým zářením Najdeme ji pro různé materiály v tabulkách Závisí i na úpravách povrchů a na směru vyzařování

12 II. KIRCHHOFFŮV ZÁKON Pojem dokonale černé těleso se používá jak pro tělesa dokonale pohlcující záření, tak pro tělesa dokonale vyzařující záření. Obecněji to vyjadřuje. Kirchhoffův zákon. SLOVNÍ FORMULAC II. KIRCHHOFFOVA ZÁKONA V tepelné rovnováze je objekt tak dokonalým zářičem, jak dokáže záření pohlcovat, a proto emisivita povrchu (poměrná zářivost) je rovna absorptanci a (poměrné pohltivosti) MATMATICKÁ FORMULAC II. KIRCHHOFFOVA ZÁKONA V tepelné rovnováze je a Zatmění Slunce Slunce je téměř dokonalý zářič a téměř dokonale pohlcuje záření Zdroj: Druckmüller 00

13 VZÁJMNÉ ZÁŘNÍ POVRCHŮ - 3 ZÁŘNÍ MZI NKONČNĚ ROZLHLÝMI ROVNOBĚŽNÝMI STĚNAMI T T =a =a t =0 t =0 t = T > T ef (- ) ef ef ef (- ) (- )(- ) ef Vlastní zářivosti stěn (hustoty zářivých toků) T σ T σ fektivní zářivost stěny ef ef ef ef ef ef Po úpravě - - ef Obdobně platí pro efektivní zářivost stěny - - ef

14 VZÁJMNÉ ZÁŘNÍ POVRCHŮ - Výsledný tok zářivosti je dán rozdílem efektivních zářivostí T T ef T > T ef (- ) ef ef (- ) (- )(- ) ef =a =a t =0 t = t = σ 0T σ 0T - - Pro hustotu tepelného toku zářením mezi dvěma nekonečně rozlehlými paralelními stěnami lze psát σ ef ef σ 0 - q 4 4 σ T T 4 [W.m -.K -4 ] zde značí součinitel vzájemného záření pro paralelní stěny 4

15 VZÁJMNÉ ZÁŘNÍ POVRCHŮ - 3 ZÁŘNÍ MZI POVRCHY, KTRÉ S OBKLOPUJÍ T > T T S, T > T T S, Povrch S obklopuje povrch S T S, T S, Povrch S musí být vypuklý Pro tepelný tok zářením mezi povrchy, 4 4 Q * Sσ T T které se obklopují platí: * [W.m -.K -4 ] je součinitel vzájemného záření pro povrchy, které se obklopují σ * S S σ 0-5

16 VZÁJMNÉ ZÁŘNÍ POVRCHŮ ZÁŘNÍ MALÉHO POVRCHU V VLKÉM PROSTORU Povrch S obklopuje povrch S Povrch S by měl být vypuklý Pro tepelný tok zářením mezi povrchy, které se obklopují platí: 4 4 * T T σ S Q 0 0 * σ - S S σ σ S << S Pro tepelný tok zářením malého povrchu ve velkém prostoru platí: T T S σ Q T je tzv. radiační teplota

17 SKLNÍKOVÝ FKT - Skleníkový efekt vzniká za sklem ozařovaným sluncem - ve skleníku Hydroponie ve skleníku Výklad skleníkového efektu pomocí Planckova zákona Záření Slunce Záření Slunce na povrchu Země Záření objektů za sklem Sklo umožňuje snadný průchod širokého spektra slunečního záření, které má vysokou teplotu t 0 Transmitance skla Sklo brání průchodu záření objektů ve skleníku o nízké teplotě 7

18 SKLNÍKOVÝ FKT - Skleníkový efekt způsobují i jiné materiály, např. skleníkové plyny (H O, CO, N O, O 3 ) obsažené v atmosféře. Atmosféra by pak měla vytvářet optimální skleníkový efekt pro život. Sluneční konstanta je 369 W.m - t Výklad skleníkového efektu pomocí Planckova zákona Záření Slunce Záření Slunce na povrchu Země Záření povrchu Země Zdroj: Universum 0 Transmitance atmosféry 8

19 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - Termovizní kamery pro bezdotykové měření povrchových teplot objektů na principu detekce tepelného záření. Chlazení pomocí dusíku VarioCAM InfraTec VarioScan Jenoptik InfraTec Bez chladiva TSTO Bez chladiva FLIR AMR Bez chladiva Bez chladiva 9

20 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - Termovizní kamera má široké uplatnění při konstrukci a diagnostice tepelných motorů. Termovizní měření se provádí jak na prototypech, tak při ověřování správné funkce vyrobených motorů. Zdroj: InfraTec Teplotní pole výfukového traktu spalovacího motoru Teplotní pole pláště plynové turbíny 0

21 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 3 Termovizní kameru lze uplatnit i při konstruování a diagnostice poháněných strojů. Také zde můžeme měřit na prototypech, nebo ověřovat správnou funkci již vyrobených strojů. Zdroj: InfraTec Teplotní pole ventilátoru poháněného elektromotorem Teplotní pole čerpadla poháněného elektromotorem

22 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 4 Užitečné a zajímavé informace je možné získat z termogramů chladicích zařízení. Zdroj: InfraTec Teplotní pole srážníku chladicího zařízení Teplotní pole kompresoru chladicího zařízení

23 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 5 V oblasti dopravní techniky umožňuje termovize identifikovat vadné komponenty, odhalovat místa větších tepelných ztrát, hodnotit chování dopravních prostředků v provozu apod. Zdroj: InfraTec Termogram čelního skla automobilu ofukovaného teplým vzduchem Termogram teplotního pole na povrchu letadla po přistání 3

24 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 6 Široké možnosti nabízí termovize v oblasti tepelné diagnostiky strojních součástí. Ze získaných záznamů se dá usuzovat na správnou funkci těchto prvků. Zdroj: InfraTec Teplotní pole diskové brzdy automobilu Tepelné defekty na přírubovém spoji potrubí 4

25 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 7 Další možnosti nabízí termovize ve slévárenství. Z teplotních polí odlitků a forem můžeme studovat rychlost ochlazování, možnosti vzniku staženin aj. Zdroj: InfraTec Teplotní pole odlitku a částí uvolněné formy Teplotní pole bloku motoru po jeho odlití 5

26 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 8 Termovizní měření můžeme efektivně využít i v hutnických provozech. Ze zviditelněných teplotních polí lze rozpoznat vadné tepelné izolace, stav tavicích procesů aj. Zdroj: InfraTec Kontrola tepelné izolace vysoké pece Teplotní pole kontejneru s tekutým hliníkem 6

27 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 9 Rozšířené je termovizní měření v oblasti prevence a údržby strojních, energetických, chemických a elektrických zařízení. Závady na těchto zařízeních jsou na termogramech patrné již na dálku. Zdroj: InfraTec Termogram teplotního pole při chlazení chemického reaktoru Teplotní pole defektu tepelné izolace tlakové nádoby 7

28 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 0 Na těchto termogramech jsou další příklady z oblasti prevence a údržby. Diagnostika zařízení na dálku zefektivňuje tento proces a umožňuje měření i v nepřístupných a nebezpečných místech. Zdroj: InfraTec Termogram trafostanice v elektrárně Provozní kontrola ložisek rotačních strojů 8

29 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - Termovizní měření v teplárenství je rovněž velice rozšířené. Termovize umožní identifikovat podzemní uložení rozvodů tepla, vadná místa s únikem teplé tekutiny a vadná místa tepelné izolace. Zdroj: InfraTec Identifikace uložení rozvodů tepla pod vozovkou Identifikace vadné tepelné izolace rozvodů tepla 9

30 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - Termovizní kamera má široké uplatnění při testování elektrických pohonů a generátorů proudu. Ze zobrazených termogramů je možné ověřovat správnou funkci zařízení, efektivitu chlazení aj. Zdroj: InfraTec Teplotní pole běžícího elektromotoru Teplotní pole při kontrole statoru generátoru 30

31 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 3 Termovizní měření v oblasti silnoproudé elektrotechniky umožní monitorovat práci silnoproudých zařízení a identifikovat případné nedostatky. Zdroj: InfraTec Chybné spoje vodičů Termogram teplotního pole transformátoru 3

32 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 4 V oblasti mikroelektrotechniky a slaboproudé elektrotechniky umožňuje termovize monitorovat stav procesorů, elektronických prvků, plošných obvodů a studených spojů. Zdroj: InfraTec Termogram základní desky osobního počítače Teplotní pole mikroelektronického obvodu 3

33 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 5 Velice rozšířené je použití termovize ve stavebnictví. Aplikuje se pro hodnocení tepelných ztrát budov, identifikaci tzv. tepelných mostů, pro kontrolu těsnosti obvodových konstrukcí aj. Zdroj: InfraTec Termogram domu se špatnou izolací pravé stěny Termogram kontroly těsnosti stěn dřevěného srubu 33

34 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 6 Termovizní měření ve stavebnictví umožní rovněž hodnotit účinnost a kvalitu prací při zateplování budov. Zdroj: InfraTec Termogram tepelných ztrát části činžovního domu před zateplením Termogram tepelných ztrát části činžovního domu po zateplení 34

35 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 7 Termovizní měření má své uplatnění i v medicíně a ve veterinárním lékařství. Slouží při odhalování nádorů a zánětů, při kontrolách krevního oběhu apod. Zdroj: InfraTec Termogram člověka při kontrole prokrvení tkání Termogram koně při kontrole prokrvení tkání 35

36 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 8 Termovize v oblasti sportu odhaluje intenzitu zatěžování svalů a dává informace o správnosti provádění cviků. Informace o teplotách kůže a přenosu tepla při různých aktivitách jsou užitečné i v technice prostředí. Termogram cvičence s činkou Termogram cvičenky aerobiku 36

37 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 9 Termovize se často používá v oblasti ostrahy objektů, vyhledávání osob či různých tepelných zdrojů v exteriérech aj. Zdroj: InfraTec Hledání osob Ostraha budov Vyhledávání zdroje požáru na skládce odpadu Hledání tepelných zdrojů 37

38 38 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 0 Termovizní kameru lze využít také pro identifikaci historie práce strojů a historii přítomnosti osob či teplokrevných živočichů. Termovizní snímek jedoucích a parkujících motorových vozidel Termogram tepelné stopy na stěně po doteku dlaně

39 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - Velice rozšířené jsou aplikace termovize v oblasti techniky prostředí, tj. v oblasti vytápění, větrání a klimatizace. Jedná se o její využití ve vývoji, výrobě a při provozních měřeních těchto zařízení. Zdroj: InfraTec Teplotní pole vyhřívaného čelního skla automobilu Teplotní pole vyhřívaného sedadla automobilu 39

40 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - V technice prostředí jsou častými objekty termovizních měření otopná tělesa. Získané termogramy slouží především k posouzení kvality konstrukce otopných těles. Zdroj: InfraTec Teplotní pole deskového otopného tělesa Teplotní pole trubkového otopného tělesa 40

41 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 3 Termovizní měření otopných těles se provádí také na Ú FSI VUT v Brně. Cílem je zjistit stav otopných těles používaných pro experimentální výzkum teplotních polí v místnostech. Konvektor s přirozenou konvekcí Povrch natřený barvou Duralový povrch Smaltovaný povrch Konvektor s nucenou konvekcí lektrické radiátory Doba zátopu u všech snímků je hodina 4

42 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 4 Mezi nejlepší způsoby vytápění z hlediska možnosti dosažení tepelné pohody prostředí patří podlahové vytápění. Termogramy systémů podlahového vytápění odhalí případné nedostatky dané instalace. Zdroj: InfraTec Nerovnoměrné teplotní pole podlahového vytápění Chybně instalované hadice podlahového vytápění 4

43 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 5 Na Ú FSI VUT v Brně je rovněž prováděn výzkum tepelných ztrát a stavu prostředí v klimatizačních, ale i sterilizačních komorách. Termogramy komory s přirozenou konvekcí vzduchu o teplotě 75 C ve vnitřním prostoru Termogramy komory s nucenou konvekcí vzduchu o teplotě 75 C ve vnitřním prostoru 43

44 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 6 Perspektivní využití má termovizní kamera při zviditelňování a měření teplotních polí ve vzduchu. Lze to řešit vložením papíru do D proudů či sítě papírových terčů do 3D proudů vzduchu. Teplý vzduch nad otopným tělesem Laboratorní cvičení na oboru TP Proudění chladného vzduchu ze štěrbinové vyústky v horní části okna 44

45 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 7 Termogramy lze dále analyzovat (měnit rozsah teplot, vytvořit diferenční obrazy, teplotní profily, histogramy, vykreslit izotermy aj.), čímž získáme řadu dalších informací, které nebyly na původním snímku zřejmé. Původně zaznamenaný termogram tepelných ztrát v areálu FSI VUT v Brně Úprava rozsahu sledovaných teplot na termogramu areálu FSI VUT v Brně 45

46 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 8 Vytvoření diferenčního obrazu ze dvou termogramů Termogram Termogram Diferenční obraz Diferenční obraz je užitečný: pro vyjádření rozdílu teplot mezi dvěma stavy, při měření zrcadlových povrchů, kde se odráží okolí, při měření v tepelně nehomogenním prostředí. 46

47 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 9 Pro termovizní měření je třeba znát emisivitu povrchů. Na Ú FSI VUT v Brně se proto zabýváme i měřením emisivity různých materiálů. OCHLAZOVANÉ VZORKY: Sklovláknobeton, Dlažba a Lepidlo stavební, v prostředí s radiační teplotou 5 C Při kolmém pohledu se zdá být teplota vzorků nejmenší OHŘÍVANÉ VZORKY: Sklovláknobeton, Dlažba a Lepidlo stavební, v prostředí s radiační teplotou 0 C Při kolmém pohledu se zdá být teplota vzorků největší 47

48 TRMOVIZNÍ MĚŘNÍ - 30 Termovizní kameru je možné využívat také v umění. V oblasti malování lze vytvořit tzv. tepelné obrazy, které nejsou pouhým okem viditelné, v kinematografii lze vytvářet různobarevné záznamy a zvláštní efekty. Tepelný obraz dvou postav Autoři: Titlová, Pavelek Tepelný videozáznam Autoři: Titlová, Pavelek 48

49 KONC PŘDNÁŠK Z TRMOMCHANIKY Znalost přírodních zákonů je základním předpokladem úspěchu u zkoušky prof. Ing. Milan PAVLK, CSc. nergetický ústav FSI VUT v Brně, Technická, Budova A, 3. patro 49