La importancia de la radiación de calor en el diseño de radiadores.

A menudo se pasa por alto el papel de la radiación térmica en el diseño de los radiadores.Existen muchas referencias al porcentaje de calor que pierde un radiador.Como ocurre con la mayoría de los fenómenos de la física y la ingeniería, los efectos de la radiación no pueden resumirse en una constante.

El efecto de la radiación térmica sobre el rendimiento de los radiadores está determinado por varios factores.Antes de examinar estos factores, es necesario hacer una breve introducción a la radiación térmica.

La radiación térmica es la onda electromagnética que emite toda materia con una temperatura superior a 0K (cero absoluto).El calor máximo (W) que la radiación puede liberar de una superficie viene dado por la siguiente fórmula:

A:tEl área superficial de la superficie radiante.;

σ=5,67*10^-8W/m²K⁴,Constante de Stefan Boltzman;

T_s:sTemperatura de la superficie (K).

Esta superficie se considera un radiador ideal o cuerpo negro.A la misma temperatura, la superficie de un radiador no ideal irradia menos energía que un cuerpo negro.Las propiedades de radiación de estas superficies se llaman emisividad.La emisividad, con un valor entre 0 y 1, es una medida de qué tan bien una superficie disipa el calor en comparación con un cuerpo negro.Los valores de los materiales y tratamientos de superficie de radiadores comunes se muestran en la Tabla 1:

Tabla 1. eMisividad de materiales de radiadores comunes y tratamientos de superficie.

Cuando intervienen dos o más superficies, cada superficie absorbe y libera energía radiante.Una de las formas más simples de intercambio de radiación es en una sola superficie en una capa mucho más grande.La temperatura de la superficie es más alta que la de la capa, el área de la superficie es A y la emisividad es ε.En este caso, el tipo de intercambio de energía neto debido a la radiación se deriva de la fórmula 1. Consulte la Figura 1:

Figura 1. rTransferencia de calor radiante entre una pequeña superficie calentada y el interior de una carcasa grande.

Debido a que el radiador consta de múltiples superficies que absorben y emiten radiación entre sí y con la carcasa, la ecuación que representa estas interacciones no es tan sencilla como la ecuación 1. Pero el principio general representado por la ecuación 1 aún se aplica.Consulte [1] para obtener una explicación detallada de los cálculos de radiación y las ecuaciones correspondientes para radiadores de placas y aletas.

Los cálculos en [1] requieren el uso de múltiples ecuaciones y pueden resultar tediosos de calcular.Para estimar razonablemente la pérdida de calor radiante de un radiador de placas y aletas, aún se puede utilizar la ecuación 2 para calcular el área de superficie radiante aparente.La superficie aparente radiada se calcula suponiendo que el radiador es un bloque sólido con las mismas dimensiones externas.Luego, el área de superficie del bloque que se muestra en la Figura 2 se calcula usando la fórmula 3 y se usa para la fórmula 2. Este cálculo no tiene en cuenta la variación de temperatura entre la parte inferior del radiador y la punta de las aletas, que puede ser muy notable en condiciones forzadas. convección, aletas largas, radiadores fabricados con materiales de baja conductividad o una combinación de los anteriores.Además, utilizar el área de superficie radiante aparente no calcula con precisión el área de superficie del disipador de calor.Por lo tanto, este método no debe utilizarse si se requieren resultados muy precisos.

L：llongitud de la aleta del disipador de calor.

Figura 2. rdimensiones del radiador

Hay dos formas en que un radiador disipa calor (energía) al entorno circundante, a saber, radiación y convección.La fórmula para la disipación de calor por convección es 4:

h:ccoeficiente de convección;

T_ambi:atemperatura del aire ambiente.

Los valores del coeficiente de convección h en aire varían de 2 a 10 W/m2K para convección natural y de 20 a 100 W/m2K para convección forzada por ventilador.Debido a que la convección forzada tiene un valor h mucho mayor, la proporción de calor perdido por un radiador suele ser mucho mayor por convección que por convección forzada.Esta afirmación suele ser cierta cuando la temperatura del radiador es inferior a 150°C.De las ecuaciones 1 y 2 se puede ver que la cantidad de calor perdido por radiación está estrechamente relacionada con la temperatura del disipador de calor, porque el calor irradiado se eleva a la cuarta potencia.

Para comparar los efectos de la radiación en el rendimiento de los radiadores de placas y aletas, analizamos dos ejemplos utilizando HeatSinkCalculator.El primero es un radiador enfriado por convección forzada.Como se muestra en la Figura 2, la fuente de calor cubre todo el fondo del radiador.El flujo de aire pasa a través del disipador de calor paralelo al disipador de calor y a la parte inferior del disipador de calor.Todo el aire fluye a través de las aletas del radiador y no hay derivación de aire.La Tabla 2 muestra los resultados del análisis para diferentes entradas de energía.Las dimensiones del radiador, el material del radiador y el caudal a través del radiador se enumeran a continuación.

Tabla 2. rResultados del análisis del disipador de calor por convección forzada.

Como era de esperar, a medida que aumenta la temperatura del radiador, también aumenta la proporción de calor perdido por radiación.A temperaturas más altas, el calor perdido por radiación supera el 5% del calor total.En algunos casos críticos, esto puede significar la diferencia entre alcanzar o no la temperatura nominal del elemento que se está enfriando.

El segundo ejemplo es un radiador enfriado por convección natural, con la base del radiador y las aletas colocadas verticalmente.Como se muestra en la Figura 2, la fuente de calor cubre todo el fondo del radiador.Las dimensiones y los materiales del radiador se muestran en la siguiente tabla.La Tabla 3 muestra los resultados del análisis bajo diferentes condiciones de entrada de energía y emisividad de superficie.

Tabla 3. aResultados del análisis de radiadores de convección natural.

En la convección natural, la proporción de calor perdido por radiación es mucho mayor.En este ejemplo, el porcentaje de disipación de calor radiativo se acerca o supera el 30%.El calor perdido por convección natural también está estrechamente relacionado con la temperatura de la superficie del radiador.Esto explica por qué la tasa de disipación de radiación aumenta a medida que disminuye la temperatura de la fuente.Cuando la emisividad de la superficie se reduce a 0,09, el efecto sobre la temperatura del disipador de calor es cercano a los 30°C.

Los ejemplos anteriores resaltan la importancia de la radiación en el proceso de enfriamiento de los radiadores.Aunque el efecto de la radiación sobre el enfriamiento del radiador por convección forzada es menor, su efecto sigue siendo significativo si se necesitan algunos grados adicionales para garantizar que el producto cumpla con las especificaciones.Evidentemente, el efecto de la radiación sobre los radiadores enfriados por convección natural es sumamente importante.La temperatura se puede reducir significativamente anodizando o pintando la superficie del radiador y aumentando el valor de emisividad de la superficie.