Радиационное охлаждение
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( декабрь 2009 г. ) |
При изучении теплопередачи . применяется радиационное охлаждение [1] [2] Это процесс, при котором тело теряет тепло за счет теплового излучения . Как закон Планка описывает , каждое физическое тело самопроизвольно и непрерывно излучает электромагнитное излучение .
Радиационное охлаждение применялось в различных контекстах на протяжении всей истории человечества, включая производство льда в Индии и Иране , [3] тепловые экраны для космических кораблей, [4] и в архитектуре. [5] В 2014 году научный прорыв в использовании фотонных метаматериалов сделал возможным дневное радиационное охлаждение. [6] [7] С тех пор это было предложено в качестве стратегии смягчения локального и глобального потепления , вызванного выбросами парниковых газов, известной как пассивное дневное радиационное охлаждение . [8]
Земное радиационное охлаждение
[ редактировать ]Механизм
[ редактировать ]Инфракрасное излучение может проходить через сухой чистый воздух в диапазоне длин волн 8–13 мкм. Материалы, которые могут поглощать энергию и излучать ее на 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. [9]
Энергетический бюджет Земли
[ редактировать ]Система Земля-атмосфера охлаждается радиационно, испуская длинноволновое ( инфракрасное ) излучение, которое уравновешивает поглощение коротковолновой (видимого света) энергии Солнца.
Конвективный перенос тепла и испарительный перенос скрытого тепла важны для удаления тепла с поверхности и распределения его в атмосфере. Чистый радиационный перенос более важен выше в атмосфере. Суточные и географические колебания еще больше усложняют картину.
Крупномасштабная циркуляция атмосферы Земли обусловлена разницей в поглощенной солнечной радиации на квадратный метр, поскольку в тропиках Солнце нагревает Землю больше , главным образом из-за геометрических факторов. Атмосферная и океаническая циркуляция перераспределяет часть этой энергии в виде явного тепла и скрытого тепла частично через средний поток и частично через вихри, известные как циклоны в атмосфере. Таким образом, тропики излучают в пространство меньше, чем если бы не было циркуляции, а полюса излучают больше; однако в абсолютном выражении тропики излучают в космос больше энергии.
Ночное охлаждение поверхности
[ редактировать ]Радиационное охлаждение обычно наблюдается в безоблачные ночи, когда тепло излучается в космическое пространство с поверхности Земли или от кожи человека-наблюдателя. Эффект хорошо известен среди астрономов-любителей .
Эффект можно ощутить, сравнив температуру кожи при взгляде прямо вверх на безоблачное ночное небо в течение нескольких секунд с температурой после помещения листа бумаги между лицом и небом. Поскольку космическое пространство излучает температуру около 3 К (-270,15 ° C ; -454,27 ° F ), а лист бумаги излучает около 300 К (27 ° C; 80 ° F) (около комнатной температуры ), лист лист бумаги излучает на лицо больше тепла, чем затемненный космос. Эффект притупляется окружающей атмосферой Земли и особенно содержащимся в ней водяным паром, поэтому видимая температура неба намного выше, чем в космическом пространстве. Простыня не блокирует холод, а вместо этого отражает тепло на лицо и излучает тепло лица, которое оно только что впитало.
Тот же механизм радиационного охлаждения может привести к образованию инея или черного льда на поверхностях, открытых для ясного ночного неба, даже если температура окружающей среды не опускается ниже нуля.
Оценка Кельвином возраста Земли
[ редактировать ]Термин «радиационное охлаждение» обычно используется для обозначения локальных процессов, хотя те же принципы применимы и к охлаждению в течение геологического времени, которое впервые было использовано Кельвином для оценки возраста Земли (хотя его оценка игнорировала значительное количество тепла, выделяющегося в результате распада радиоизотопа, неизвестное в то время и эффекты конвекции в мантии).
Астрономия
[ редактировать ]Радиационное охлаждение — один из немногих способов, которыми объект в космосе может выделять энергию. В частности, звезды- белые карлики больше не генерируют энергию путем термоядерного синтеза или гравитационного сжатия и не имеют солнечного ветра. Поэтому единственный способ изменения их температуры — это радиационное охлаждение. Это делает их температуру как функцию возраста очень предсказуемой, поэтому, наблюдая за температурой, астрономы могут определить возраст звезды. [10] [11]
Приложения
[ редактировать ]Изменение климата
[ редактировать ]
Широкое применение технологий пассивного дневного радиационного охлаждения (PDRC), в которых используется инфракрасное окно (8–13 мкм) для рассеивания тепла посредством передачи тепла длинноволновым инфракрасным (LWIR) тепловым излучением в космическое пространство , [12] был предложен в качестве метода снижения повышения температуры, вызванного изменением климата . Установка технологий пассивного радиационного тепловыделения была предложена как необходимая для снижения температуры Земли достаточно быстрыми темпами для выживания человека . [13] Мандей подвел итоги глобального внедрения таких технологий:
В настоящее время Земля поглощает ~1 Вт/м. 2 больше, чем выбрасывает, что приводит к общему потеплению климата. Покрыв Землю небольшой долей теплоизлучающих материалов, можно увеличить тепловой поток от Земли, а чистый радиационный поток можно уменьшить до нуля (или даже сделать отрицательным), тем самым стабилизируя (или охлаждая) Землю ( ...) Если бы вместо этого только 1–2% поверхности Земли излучали с такой скоростью, а не с ее нынешним средним значением, общие потоки тепла внутрь и наружу всей Земли были бы сбалансированы, и потепление прекратилось бы. [13]
PDRC имитируют естественный процесс радиационного охлаждения, при котором Земля охлаждается, выделяя тепло в космическое пространство ( энергетический бюджет Земли ), хотя в дневное время снижает температуру окружающей среды под воздействием прямой солнечной интенсивности. [14] В ясный день солнечное излучение может достигать 1000 Вт/м. 2 с диффузной составляющей 50-100 Вт/м 2 . Средний PDRC имеет расчетную мощность охлаждения ~ 100-150 Вт/м. 2 . [15] Мощность охлаждения PDRC пропорциональна площади открытой поверхности установки. [16]
Архитектура
[ редактировать ]
Холодные крыши сочетают в себе высокий коэффициент отражения солнечной энергии с высоким коэффициентом инфракрасного излучения , тем самым одновременно уменьшая приток тепла от солнца и увеличивая отвод тепла за счет излучения. Таким образом, радиационное охлаждение открывает потенциал для пассивного охлаждения жилых и коммерческих зданий. [5] Традиционные строительные поверхности, такие как лакокрасочные покрытия, кирпич и бетон, имеют высокий коэффициент излучения — до 0,96. [17] Они излучают тепло в небо, пассивно охлаждая здания в ночное время. Если эти материалы достаточно отражать солнечный свет, они также могут обеспечить радиационное охлаждение в течение дня.
Наиболее распространенными радиационными охладителями зданий являются белые холодные лакокрасочные покрытия крыш, коэффициент отражения солнечной энергии до 0,94 и коэффициент теплового излучения до 0,96. [18] Солнечное отражение красок возникает в результате оптического рассеяния диэлектрическими пигментами, встроенными в полимерную смолу краски, а тепловое излучение возникает из-за полимерной смолы. Однако поскольку типичные белые пигменты, такие как диоксид титана и оксид цинка, поглощают ультрафиолетовое излучение, коэффициент солнечного отражения 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 достигать температуры ниже 5 °C под прямыми солнечными лучами. [19] Позже исследователи разработали окрашиваемые пористые полимерные покрытия, поры которых рассеивают солнечный свет, обеспечивая коэффициент отражения солнечной энергии 0,96-0,99 и тепловое излучение 0,97. [20] В экспериментах под прямыми солнечными лучами покрытия достигли температуры ниже окружающей среды 6 °C и охлаждающей мощности 96 Вт/м. 2 .
Другие известные стратегии радиационного охлаждения включают диэлектрические пленки на металлических зеркалах, [21] и полимер или полимерные композиты на серебряных или алюминиевых пленках. [22] В 2015 году сообщалось о посеребренных полимерных пленках с коэффициентом солнечного отражения 0,97 и тепловыделением 0,96, которые остаются на 11 ° C холоднее, чем коммерческие белые краски под летним солнцем. [23] Исследователи исследовали конструкции с диэлектрическими частицами диоксида кремния или карбида кремния , встроенными в полимеры, которые прозрачны в солнечном диапазоне и излучают в инфракрасном диапазоне. [24] [25] В 2017 году сообщалось о примере этой конструкции с резонансными микросферами полярного кремнезема, случайно внедренными в полимерную матрицу. [26] Материал полупрозрачен для солнечного света и имеет коэффициент излучения 0,93 в инфракрасном окне передачи атмосферы. Благодаря серебряному покрытию материал достигал лучистой охлаждающей мощности в полдень 93 Вт/м. 2 под прямыми солнечными лучами, а также при высокопроизводительном и экономичном рулонном производстве.
Тепловые экраны
[ редактировать ]Покрытия с высокой излучательной способностью , способствующие радиационному охлаждению, могут использоваться в многоразовых системах тепловой защиты (RTPS) космических кораблей и гиперзвуковых самолетов. материал с высокой излучательной способностью, такой как дисилицид молибдена (MoSi 2 ). В таких теплозащитных экранах на теплоизолирующую керамическую подложку наносится [4] В таких теплозащитных экранах необходимо поддерживать высокий уровень общей излучательной способности , обычно в диапазоне 0,8–0,9, в диапазоне высоких температур. Закон Планка гласит, что при более высоких температурах пик радиационного излучения смещается в сторону меньших длин волн (более высоких частот), что влияет на выбор материала в зависимости от рабочей температуры. В дополнение к эффективному радиационному охлаждению системы радиационной тепловой защиты должны обеспечивать устойчивость к повреждениям и могут включать в себя функции самовосстановления за счет образования вязкого стекла при высоких температурах.
Космический телескоп Джеймса Уэбба
[ редактировать ]Космический телескоп Джеймса Уэбба использует радиационное охлаждение для достижения рабочей температуры около 50 К. Для этого его большой отражающий солнцезащитный экран блокирует излучение Солнца, Земли и Луны. Конструкция телескопа, постоянно находящаяся в тени из-за солнцезащитного экрана, затем охлаждается под воздействием радиации.
Ночное производство льда в ранней Индии и Иране.
[ редактировать ]
До изобретения технологии искусственного охлаждения приготовление льда путем ночного охлаждения было обычным явлением как в Индии, так и в Иране.
В Индии такие аппараты представляли собой неглубокий керамический лоток с тонким слоем воды, помещенный на открытом воздухе под открытым небом. Дно и борта утеплили толстым слоем сена. В ясную ночь вода будет терять тепло за счет излучения вверх. При условии, что воздух был спокоен и не превышал температуру нуля, приток тепла от окружающего воздуха за счет конвекции был достаточно низким, чтобы позволить воде замерзнуть. [27] [28] [3]
В Иране это включало создание больших бассейнов с плоским льдом , которые представляли собой отражающий бассейн с водой, построенный на слое высокоизолирующего материала, окруженном высокими стенами. Высокие стены обеспечивали защиту от конвективного нагрева, изоляционный материал стенок бассейна защищал от кондуктивного нагрева от земли, а большая плоская поверхность воды позволяла осуществлять испарительное и радиационное охлаждение.
См. также
[ редактировать ]- Тепловой экран
- Оптический солнечный отражатель , используемый для теплового контроля космических кораблей.
- Пассивное охлаждение
- Радиационное воздействие
- Закон Стефана – Больцмана
- Эффект земного альбедо
- Городской остров тепла
- Городской тепловой шлейф
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фань, Шаньхуэй; Ли, Вэй (март 2022 г.). «Концепции фотоники и термодинамики в радиационном охлаждении». Природная фотоника . 16 (3): 182–190. Бибкод : 2022NaPho..16..182F . дои : 10.1038/s41566-021-00921-9 . S2CID 246668570 .
- ^ Ли, Вэй; Фань, Шаньхуэй (1 ноября 2019 г.). «Радиационное охлаждение: сбор холода Вселенной». Новости оптики и фотоники . 30 (11): 32. Бибкод : 2019OptPN..30...32L . дои : 10.1364/ОПН.30.11.000032 . S2CID 209957921 .
- ^ Jump up to: а б «Персидский ледяной дом, или как делать лед в пустыне» . Полевое исследование мира . 04.04.2016 . Проверено 28 апреля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б Шао, Гаофэн; и др. (2019). «Повышение стойкости к окислению высокоэмиссионных покрытий на волокнистой керамике для многоразовых космических систем». Коррозионная наука . 146 : 233–246. arXiv : 1902.03943 . Бибкод : 2019Corro.146..233S . дои : 10.1016/j.corsci.2018.11.006 . S2CID 118927116 .
- ^ Jump up to: а б Хоссейн, штат Мунтасир; Гу, Мин (04 февраля 2016 г.). «Радиационное охлаждение: принципы, прогресс и потенциал» . Передовая наука . 3 (7): 1500360. doi : 10.1002/advs.201500360 . ПМК 5067572 . ПМИД 27812478 .
- ^ Хо, Се Ён; Джу Ли, Гил; Сон, Ён Мин (июнь 2022 г.). «Теплоотделение фотонными структурами: радиационное охлаждение и его потенциал» . Журнал химии материалов C. 10 (27): 9915–9937. дои : 10.1039/D2TC00318J . S2CID 249695930 – через Королевское химическое общество.
- ^ Раман, Аасват П.; Анома, Марк Абу; Чжу, Линьсяо; Рафаэли, Иден; Фань, Шаньхуэй (2014). «Пассивное радиационное охлаждение ниже температуры окружающего воздуха под прямыми солнечными лучами» . Природа . 515 (7528): 540–544. Бибкод : 2014Natur.515..540R . дои : 10.1038/nature13883 . ПМИД 25428501 . S2CID 4382732 – через сайт Nature.com.
- ^ Мандей, Джереми (2019). «Борьба с изменением климата посредством радиационного охлаждения» . Джоуль . 3 (9): 2057–2060. дои : 10.1016/j.joule.2019.07.010 . S2CID 201590290 .
- ^ Лим, Сяочжи (31 декабря 2019 г.). «Суперкрутые материалы, которые посылают тепло в космос» . Природа . 577 (7788): 18–20. дои : 10.1038/d41586-019-03911-8 . ПМИД 31892746 .
- ^ Местель, Л. (1952). «К теории белых карликов. I. Источники энергии белых карликов». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 112 (6): 583–597. Бибкод : 1952МНРАС.112..583М . дои : 10.1093/mnras/112.6.583 .
- ^ «Охлаждающие белые карлики» (PDF) . Физический факультет Университета Патры.
- ^ Чен, Цзяньхэн; Лу, Лин; Гун, Цюань (июнь 2021 г.). «Новое исследование карт ресурсов Китая по пассивному радиационному охлаждению неба» . Преобразование энергии и управление . 237 : 114132. Бибкод : 2021ECM...23714132C . дои : 10.1016/j.enconman.2021.114132 . S2CID 234839652 – через Elsevier Science Direct.
Пассивное радиационное охлаждение использует окно прозрачности атмосферы (8–13 мкм) для отвода тепла в космическое пространство и препятствует поглощению солнечной энергии.
- ^ Jump up to: а б Мандей, Джереми (2019). «Борьба с изменением климата посредством радиационного охлаждения» . Джоуль . 3 (9): 2057–2060. дои : 10.1016/j.joule.2019.07.010 . S2CID 201590290 .
- ^ Айли, Аблимит; Инь, Сяобо; Ян, Жунгуй (октябрь 2021 г.). «Глобальный потенциал радиационного охлаждения неба с поправкой на плотность населения и потребность в охлаждении» . Атмосфера . 12 (11): 1379. Бибкод : 2021Атмосфера..12.1379А . дои : 10.3390/atmos12111379 .
- ^ Чен, Мэйцзе; Панг, Дэн; Чен, Синъюй; Ян, Хунцзе; Ян, Юань (2022). «Пассивное дневное радиационное охлаждение: основы, конструкция материалов и применение» . ЭкоМат . 4 . дои : 10.1002/eom2.12153 . S2CID 240331557 .
- ^ Хо, Се Ён; Джу Ли, Гил; Сон, Ён Мин (июнь 2022 г.). «Теплоотделение фотонными структурами: радиационное охлаждение и его потенциал» . Журнал химии материалов C. 10 (27): 9915–9937. дои : 10.1039/D2TC00318J . S2CID 249695930 – через Королевское химическое общество.
- ^ «Материалы с коэффициентами излучения» . www.engineeringtoolbox.com . Проверено 23 февраля 2019 г.
- ^ «Найдите продукты с рейтингом – Совет по рейтингу крутых крыш» . Coolroofs.org . Проверено 23 февраля 2019 г.
- ^ Раман, Аасват П.; Анома, Марк Абу; Чжу, Линьсяо; Рефаэли, Иден; Фань, Шаньхуэй (ноябрь 2014 г.). «Пассивное радиационное охлаждение ниже температуры окружающего воздуха под прямыми солнечными лучами». Природа . 515 (7528): 540–544. Бибкод : 2014Natur.515..540R . дои : 10.1038/nature13883 . ПМИД 25428501 . S2CID 4382732 .
- ^ Мандал, Джьотирмой; Фу, Янке; Овервиг, Адам; Цзя, Минсинь; Солнце, Керуи; Ши, Норман Нэн; Ю, Наньфан; Ян, Юань (19 октября 2018 г.). «Иерархически пористые полимерные покрытия для высокоэффективного пассивного дневного радиационного охлаждения» . Наука . 362 (6412): 315–319. Бибкод : 2018Sci...362..315M . дои : 10.1126/science.aat9513 . ПМИД 30262632 .
- ^ Гранквист, CG; Хьортсберг, А. (июнь 1981 г.). «Радиационное охлаждение до низких температур: общие соображения и применение к пленкам селективного излучения SiO». Журнал прикладной физики . 52 (6): 4205–4220. Бибкод : 1981JAP....52.4205G . дои : 10.1063/1.329270 .
- ^ Гренье, доктор философии (январь 1979 г.). «Радиационное охлаждение. Обратный парниковый эффект» . Журнал прикладной физики . 14 (1): 87–90. doi : 10.1051/rphysap:0197900140108700 .
- ^ Нежный, Ангус Р.; Смит, Джефф Б. (сентябрь 2015 г.). «Открытая крыша под солнцем в середине лета» . Передовая наука . 2 (9): 1500119. doi : 10.1002/advs.201500119 . ПМЦ 5115392 . ПМИД 27980975 .
- ^ Нежный, АР; Смит, Великобритания (10 февраля 2010 г.). «Радиационная тепловая откачка из Земли с использованием поверхностных фононно-резонансных наночастиц». Нано-буквы . 10 (2): 373–379. Бибкод : 2010NanoL..10..373G . дои : 10.1021/nl903271d . ПМИД 20055479 .
- ^ WO 2016205717A1 , Ю, Наньфан; Мандалал, Джьотирмой; Овервиг, Адам и Ши, Норман Нан, «Системы и методы радиационного охлаждения и нагрева», выпущено 17 июня 2016 г.
- ^ Чжай, Яо; Ма, Яогуан; Дэвид, Сабрина Н.; Чжао, Дунлян; Лу, Раннан; Тан, Банда; Ян, Жунгуй; Инь, Сяобо (10 марта 2017 г.). «Масштабируемый рандомизированный гибридный стеклополимерный метаматериал для дневного радиационного охлаждения» . Наука . 355 (6329): 1062–1066. Бибкод : 2017Sci...355.1062Z . дои : 10.1126/science.aai7899 . ПМИД 28183998 .
- ^ «Урок 1: История холодильного оборудования, версия 1 ME» (PDF) . Индийский технологический институт Харагпур . Архивировано из оригинала (PDF) 16 декабря 2011 г.
- ^ «XXII. Процесс изготовления льда в Ост-Индии. Сэр Роберт Баркер, ФРС, в письме доктору Броклсби» . Философские труды Лондонского королевского общества . 65 : 252–257. 1997. doi : 10.1098/rstl.1775.0023 . JSTOR 106193 .