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别听到辐射就害怕!原来它还有这些作用......

来源:蝌蚪五线谱2023-05-20 13:05

  小满作为二十四节气中的第八节气,象征着降水频繁。“四月中,小满者,物致于此小得盈满。”意味着南方雨水之盈;北方麦籽粒刚开始饱满。

  图源:摄图网

  “万物生长靠太阳”小满之后,日照更长,太阳辐射更加强烈。

  走在路上,你有没有观察过路边建筑的玻璃,很多并不是完全透明的玻璃,而是有各类颜色的镀膜玻璃。这不仅仅是为了美观,也与辐射息息相关。

  热反射玻璃照片(注:来自网络)

  01

  热量和辐射有什么关系?

  热反射玻璃是通过真空镀膜等技术,在玻璃表面形成一层热反射镀层。大面积地应用于建筑表面时,能将太阳的绝大部分热量以热反射、热辐射等方式阻挡在建筑体外,从而能有效减少热量的吸收,在夏季降低建筑体内部温度。

  温度上升,是由于物体持续吸收热量。热量可以通过传导、对流和辐射来传递。其中,辐射是指物体向周围空间发射电磁波,也就是热辐射。辐射能力和温度有关,温度越高,辐射能力就越强。因此,一个温度较高的物体会向周围空间辐射更多的热量。物体表面的材料和颜色会影响它对热辐射的反射和吸收。 辐射制冷利用了这种反射和吸收的特性来实现制冷。

  热反射玻璃工作原理图(注:来自网络)

  传热的三种方式示意图(注:来自网络)

  02

  辐射可以用来制冷?

  1. 辐射传热的科学原理

  辐射传热是基于吸收和发射辐射的物理学原理。当一个物体吸收辐射时,它会从周围空间吸收能量,导致温度升高。相反地,当一个物体发射辐射时,它会向周围空间释放能量,导致温度降低。 辐射传热是以电磁波的形式传播能量,过程中是不需要介质的,也就是说热量可以在真空中传递,因此它在太空中非常常见

  2. 辐射制冷的技术原理

  辐射制冷是指热物体通过大气的红外透明窗口,利用黑体辐射的方式,将热量辐射到外部的低温空间中,从而达到制冷的一种方式。

  辐射相关原理示意图(注:来自网络)

  物体温度只要高于0K,就会产生热辐射,由于辐射物体表面状况、分子结构和温度等条件的不同,造成辐射波长也各不相同。地表上物体的热能大多数是通过辐射换热,将自身热量以13μm的电磁波的形式通过“大气窗口”排放到温度接近绝对零度的外部太空,达到自身冷却的目的。

  辐射系统示意图(注:来自网络)

  03

  辐射传热应用在我们生活的方方面面

  1. 航空航天领域

  宇航员在太空中使用的航天器的许多设备,因为大多数处于真空状态,无法进行热传导及热对流,其制冷与散热大多也是使用辐射传热技术。

  航天器示意图(注:来自网络)

  2. 农业领域

  温室大棚也是运用辐射进行增温。太阳光在白天会透过温室的薄膜、玻璃照射进温室内,吸收太阳辐射的热量为温室增加温度,但地面反射出的长波辐射热量不能透过温室散出,从而减少热量的散失来实现增温。

  温室大棚示意图(注:来自网络)

  辐射传热在生活中也有着广泛的应用,例如我们经常使用的微波炉、红外线灶等都是通过辐射传热的方式实现加热的效果。此外,在工业生产中也需要利用辐射传热进行材料加热、熔化、蒸发等工艺过程。

  微波炉工作示意图

  红外线灶示意图(注:来自网络)

  04

  辐射传热的未来如何?

  辐射传热的相关技术,因其独特的优势,具备非常广泛的应用场景,目前已经在制冷技术、节能建筑、能源转换、材料制备等领域发挥越来越重要的作用。然而,辐射传热的相关技术在未来发展中也面临着诸多挑战。

  1. 辐射需要进一步提高效率和进行合理的能量存储

  辐射的总量虽然巨大,但是能流密度较低,且具备不稳定性。例如太阳辐射能量非常大,但受昼夜、季节、天气等多种因素制约,在夏季晴朗的正午时间,太阳辐射最强烈,但在阴天仅有五分之一。想要得到较高的功率,往往需要面积很大的收集设备。因此需要进一步提高能量转换效率,开发更高效的辐射能转换设备,同时设计有效的能量存储方式,以应对能量的不稳定性。

  2. 实际生产过程需要提高稳定性及耐久性

  辐射材料的稳定性耐久性在实际应用中起着至关重要的作用。辐射发射和吸收受物体表面的颜色及干洁程度的影响很大,实际应用中,设备易积水、积尘,同时设备长期使用后会出现生锈劣化等情况,会严重影响能量吸收效率。因此,在实际生产应用中还需要考虑高效合理低成本的设备维护和保养。

  3. 降低设备的生产成本

  随着技术的发展,部分辐射设备材料已经可以实现规模化生产,但效率偏低,成本较高,暂时还不能和常规的化石能源相比较,并且设备使用寿命较低。因此,在实际使用中,辐射转换设备应综合考虑当地电费、天气状况,充分利用各波段辐射能量,并且分析设备投资回收期合理选择设备种类及规模建设。

  各波段辐射应用图(注:来自网络)

  参考文献:

  [EB/OL] https://pixabay.com/zh/photos/architecture-reflection-modern-1758454/

  [EB/OL] https://www.sohu.com/a/375505731_376393

  [EB/OL] https://www.ithome.com/0/669/888.htm

  [EB/OL] http://www.zhileng.com/tech/xs/2022/1022/70669.html

  [EB/OL] http://home.ustc.edu.cn/~wulj/

  [EB/OL] https://www.51miz.com/tupian/1554647.html?keyword_id=158744

  [EB/OL] https://www.sohu.com/a/408777934_120777133?_trans_=010001_grzy

  [EB/OL] https://m.isolves.com/sh/zs/2020-12-07/34225.html

  [EB/OL] https://www.jiaheu.com/topic/813143.html

  [EB/OL] https://www.renrendoc.com/paper/193949656.html

  供稿单位:北京制冷学会

  撰稿人:徐钱 北京科技大学能源与环境工程学院副教授、北京市科协2021-2023年度青年人才托举工程被托举人

      郑强 北京科技大学能源与环境工程学院硕士研究生

[ 责编:蔡琳 ]
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