Радиационное охлаждение - Википедия - Radiative cooling

Длинноволновый термальный радиация интенсивность, от облаков, атмосферы и поверхности.

Радиационное охлаждение[1] это процесс, при котором тело теряет тепло тепловое излучение. В качестве Закон планка описывает, каждый физическое тело самопроизвольно и непрерывно излучает электромагнитное излучение.

Земное 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

Дальнейшая информация: Энергетический бюджет Земли

Система Земля-атмосфера использует радиационное охлаждение для излучения длинноволновых (инфракрасный ) излучение, 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 изменения еще больше усложняют картину.

Широкое распространение Атмосфера Земли обусловлено разницей в поглощенной солнечной радиации на квадратный метр, поскольку Солнце нагревает Землю больше в Тропики, в основном из-за геометрических факторов. Атмосферная и океаническая циркуляция перераспределяют часть этой энергии в виде явное тепло и скрытая теплота частично через средний поток и частично через вихри, известные как циклоны в атмосфере. Таким образом, тропики излучают в космос меньше, чем если бы не было циркуляции, а полюса излучают больше; однако в абсолютном выражении тропики излучают больше энергии в космос.

Ночное охлаждение поверхности

Радиационное охлаждение обычно наблюдается в безоблачные ночи, когда тепло излучается в космос с поверхности Земли или от кожи человека-наблюдателя. Эффект хорошо известен среди астрономы-любители. Эффект можно ощутить, сравнив температуру кожи, глядя прямо в безоблачное ночное небо в течение нескольких секунд, с температурой после помещения листа бумаги между лицом и небом. Поскольку космическое пространство излучает температуру около 3 кельвины (−270 градусов Цельсия или −450 градусов по Фаренгейту ), а лист бумаги излучает около 300 кельвинов (комнатная температура), лист бумаги излучает больше высокая температура к лицу, чем затемненный космос. Эффект ослабляется атмосферой, окружающей Землю, и особенно содержащимся в ней водяным паром, поэтому видимая температура неба намного выше, чем температура в космосе. Простыня не блокирует холода; вместо этого лист отражает тепло к лицу и излучает тепло лица, которое оно только что впитало.

Тот же механизм радиационного охлаждения может вызвать мороз или же черный лед образовываться на поверхностях, подверженных воздействию ясного ночного неба, даже когда температура окружающей среды не опускается ниже нуля.

Оценка Кельвином возраста Земли

Дальнейшая информация: Возраст Земли

Термин радиационное охлаждение обычно используется для обозначения локальных процессов, хотя те же принципы применимы и к охлаждению в течение геологического времени, что было впервые используется Кельвином чтобы оценить возраст Земли (хотя его оценка не учитывала значительного количества тепла, выделяемого при распаде радиоизотопа, которое в то время не было известно, а также эффекты конвекции в мантии).

Астрономия

Радиационное охлаждение - один из немногих способов, которыми объект в космосе может выделять энергию. Особенно, белый Гном звезды больше не производят энергию путем синтеза или гравитационного сжатия, и у них нет солнечного ветра. Так что единственный способ их изменения температуры - радиационное охлаждение. Это делает их температуру как функцию возраста очень предсказуемой, поэтому, наблюдая за температурой, астрономы могут определить возраст звезды.[3][4]

Приложения

Ночное производство льда в ранней Индии и Иране

В Индии до изобретения технологии искусственного охлаждения было распространено производство льда путем ночного охлаждения. 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, получение тепла из окружающего воздуха за счет конвекция был достаточно низким, чтобы вода могла замерзнуть.[5][6] Похожая техника использовалась в Иране.[7]

Архитектура

Крутые крыши сочетать высокий коэффициент отражения солнечного излучения с высоким инфракрасное излучение, тем самым одновременно уменьшая приток тепла от солнца и увеличивая отвод тепла за счет излучения. Таким образом, радиационное охлаждение открывает возможности для пассивного охлаждения жилых и коммерческих зданий.[8] Традиционные строительные поверхности, такие как лакокрасочные покрытия, кирпич и бетон, имеют высокий коэффициент излучения до 0,96.[9] Следовательно, они излучают тепло в небо, чтобы пассивно охлаждать здания ночью. Если сделать эти материалы достаточно отражающими солнечный свет, они также могут охладиться излучением в течение дня.

Наиболее распространенными радиационными охладителями зданий являются белые покрытия для холодных крыш, которые имеют коэффициент отражения солнечного излучения до 0,94 и коэффициент теплового излучения до 0,96.[10] Солнечная отражательная способность красок возникает из-за оптического рассеяния диэлектрическими пигментами, включенными в полимерную смолу краски, в то время как 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.

В 2014 году исследователи разработали первый дневной радиационный охладитель с использованием многослойной термофотонной структуры, которая избирательно излучает длинноволновое инфракрасное излучение в космос и может обеспечить охлаждение ниже температуры окружающей среды 5 ° C под прямыми солнечными лучами.[11] Позже исследователи разработали окрашиваемые пористые полимерные покрытия, поры которых рассеивают солнечный свет, что дает коэффициент отражения солнечного света 0,96–0,99 и коэффициент теплового излучения 0,97.[12] В экспериментах под прямыми солнечными лучами покрытия достигают температуры ниже 6 ° C и охлаждающей способности 96 Вт / м.2.

Другие известные стратегии радиационного охлаждения включают диэлектрические пленки на металлических зеркалах,[13] и полимерные или полимерные композиты на серебряных или алюминиевых пленках.[14] В 2015 году сообщалось о посеребренных полимерных пленках 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.[15] Исследователи изучили конструкции с диэлектриком. диоксид кремния или же Карбид кремния частицы, встроенные в полимеры, полупрозрачные в солнечном диапазоне и излучающие в инфракрасном.[16][17] В 2017 году сообщалось о примере этой конструкции с резонансными полярными микросферами кремнезема, случайным образом встроенными в полимерную матрицу.[18] Материал прозрачен для солнечных лучей и имеет инфракрасное излучение. излучательная способность 0,93 в окне инфракрасного пропускания атмосферы. При наличии серебряного покрытия этот материал достиг полуденной радиационной охлаждающей способности 93 Вт / м.2 под прямыми солнечными лучами наряду с высокопроизводительным и экономичным производством рулона в рулон.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ли, Вэй; Фань, Шанхой (1 ноября 2019 г.). «Радиационное охлаждение: использование холода Вселенной». Новости оптики и фотоники. 30 (11): 32. Дои:10.1364 / OPN.30.11.000032.
  2. ^ Лим, Сяо Чжи (31 декабря 2019). «Супер-крутые материалы, излучающие тепло в космос». Природа. 577 (7788): 18–20. Дои:10.1038 / d41586-019-03911-8. PMID  31892746.
  3. ^ Местель, Л. (1952). «К теории белых карликов. I. Источники энергии белых карликов». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 112 (6): 583–597. Bibcode:1952МНРАС.112..583М. Дои:10.1093 / минрас / 112.6.583.
  4. ^ «Охлаждающие белые карлики» (PDF).
  5. ^ «Урок 1: История холода, версия 1 ME» (PDF). Индийский технологический институт Харагпур. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-12-16.
  6. ^ «XXII. Процесс изготовления льда в Ост-Индии. Сэр Роберт Баркер, Ф. Р. С. в письме доктору Броклсби». Философские труды Лондонского королевского общества. 65: 252–257. 1997. Дои:10.1098 / рстл.1775.0023. JSTOR  106193.
  7. ^ «Персидский ледяной дом, или как сделать лед в пустыне». Полевое исследование мира. 2016-04-04. Получено 2019-04-28.
  8. ^ Hossain, Md Muntasir; Гу, Мин (04.02.2016). «Радиационное охлаждение: принципы, прогресс и возможности». Передовая наука. 3 (7): 1500360. Дои:10.1002 / advs.201500360. ЧВК  5067572. PMID  27812478.
  9. ^ «Материалы с коэффициентами излучения». www.engineeringtoolbox.com. Получено 2019-02-23.
  10. ^ «Найти продукты с рейтингом - Совет по рейтингам Cool Roof». coolroofs.org. Получено 2019-02-23.
  11. ^ Raman, Aaswath P .; Анома, Марк Абу; Чжу, Линьсяо; Рефаэли, Эдем; Фань, Шанхой (ноябрь 2014 г.). «Пассивное радиационное охлаждение ниже температуры окружающего воздуха под прямыми солнечными лучами». Природа. 515 (7528): 540–544. Bibcode:2014Натура.515..540р. Дои:10.1038 / природа13883. PMID  25428501.
  12. ^ Мандал, Джйотирмой; Фу, Янке; Овервиг, Адам; Цзя, Минсинь; Сан, Керуи; Ши, Норман Нан; Ю, Нанфан; Ян, Юань (19 октября 2018 г.). «Иерархически пористые полимерные покрытия для высокоэффективного пассивного дневного радиационного охлаждения». Наука. 362 (6412): 315–319. Bibcode:2018Научный ... 362..315M. Дои:10.1126 / science.aat9513. PMID  30262632.
  13. ^ Granqvist, C.G .; Хьортсберг, А. (июнь 1981 г.). «Радиационное охлаждение до низких температур: общие соображения и применение для селективного излучения пленок SiO». Журнал прикладной физики. 52 (6): 4205–4220. Bibcode:1981JAP .... 52.4205G. Дои:10.1063/1.329270.
  14. ^ Гренье, доктор философии (январь 1979 г.). "Réfrigération radiative. Эффект обратного серра". Revue de Physique Appliquée. 14 (1): 87–90. Дои:10.1051 / rphysap: 0197900140108700.
  15. ^ Нежный, Ангус Р .; Смит, Джефф Б. (сентябрь 2015 г.). «Подморальная открытая поверхность крыши под летним солнцем». Передовая наука. 2 (9): 1500119. Дои:10.1002 / advs.201500119. ЧВК  5115392. PMID  27980975.
  16. ^ Нежный, А. Р .; Смит, Г. Б. (10 февраля 2010 г.). «Радиационная тепловая накачка с Земли с использованием наночастиц с поверхностным фононным резонансом». Нано буквы. 10 (2): 373–379. Bibcode:2010NanoL..10..373G. Дои:10.1021 / nl903271d. PMID  20055479.
  17. ^ WO 2016205717A1, Юй, Нанфан; Мандалал, Джотирмой; Овервиг, Адам и Ши, Норман Нан, «Системы и методы радиационного охлаждения и обогрева», выпущенный 17 июня 2016 г. 
  18. ^ Чжай, Яо; Ма, Яогуанг; Дэвид, Сабрина Н .; Чжао, Дунлян; Лу, Раннан; Тан, банда; Ян, Ронггуи; Инь, Сяобо (10.03.2017). «Масштабируемый рандомизированный гибридный метаматериал из стеклополимера для дневного радиационного охлаждения». Наука. 355 (6329): 1062–1066. Bibcode:2017Научный ... 355.1062Z. Дои:10.1126 / science.aai7899. PMID  28183998.