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Thermische Strahlung: Schlüssel für natürliche Konvektionslösungen

Thermische Strahlung: Schlüssel für natürliche Konvektionslösungen

Zuletzt aktualisiert am 22. Dezember 2023 | Veröffentlicht am Sep 5, 2017

Wärmetechniker strahlen über die Auswirkungen der Wärmestrahlung. Wärmestrahlung ist neben Konvektion und Wärmeleitung eine von drei Arten der Wärmeübertragung, und je mehr wir über diese Art der Wärmeübertragung wissen, desto effektiver können wir sie zur Optimierung unserer Wärmemanagementlösungen nutzen.

Was ist Wärmestrahlung?

Auf der Seite „Projektbedingungen“ von Aavid Genie gibt es eine Box, die Sie nach dem „Arbeitsraum“ fragt. Dieser Begriff bezieht sich auf das Heatsink-Designvolumen.


Illustration der Strahlungswärmeübertragung

Wärmestrahlung bezieht sich auf die elektromagnetischen Wellen, die einem bestimmten Volumen von seiner Oberfläche entweichen. Während alle Moleküle innerhalb eines bestimmten Volumens Strahlung abgeben, absorbieren interne Moleküle im Allgemeinen die Strahlung ihrer inneren Nachbarn. Thermische Energie tritt aus dem betreffenden Volumen aus, wenn Oberflächenmoleküle Wärme abstrahlen. Aus diesem Grund legen wir im Wärmemanagement großen Wert auf die Oberfläche unserer Kühlkörper und Kühllösungen.


Illustration der Wärmeübertragung durch interne Strahlung

Wärmestrahlung ist ein Teil des elektromagnetischen Abschnitts, der zwischen 0,1 μm und 100 μm Wellenlänge hat. Dazu gehören UV-Strahlung, sichtbares Licht und Infrarotstrahlung. Sie haben sicherlich schon einmal Strahlung gesehen, wenn Sie jemanden gesehen haben, der glühendes Metall oder Glas bearbeitet. Das sichtbare Licht, das Sie sehen, ist Wärmestrahlung.


Sichtbare Wärmestrahlung von heißem Metall

Schwarze Körper und Emissionsgrad

Jede Oberfläche mit einer Temperatur größer als der absolute Nullpunkt gibt Wärme ab und absorbiert sie. Das Plancksche Gesetz besagt, dass es bei jeder Temperatur eine ideale Oberfläche gibt, die möglichst viel Wärmestrahlung absorbieren und abgeben kann. Wir bezeichnen diese Oberfläche als schwarzen Körper.

Was uns bei einer schwarzen Körperoberfläche am meisten interessiert, ist ihre ideale Fähigkeit, Wärme abzugeben, oder ihr Emissionsgrad. Da nichts mehr emittiert als ein schwarzer Körper im Sinne des Kirchoffschen Wärmestrahlungsgesetzes, geben wir ihm einen Emissionsgrad von 1. Jede andere Oberfläche kann nicht so viel Wärme abgeben wie ein schwarzer Körper, daher definieren wir den Emissionsgrad dieser Oberfläche als Verhältnis dazu, wie viel diese Oberfläche im Vergleich zu einem schwarzen Körper bei dieser Temperatur abgibt. Je mehr Wärmestrahlung eine Oberfläche abgeben kann, desto näher kommt sie einem Emissionsgrad von 1. Für das Wärmemanagement wünschen wir uns in der Regel höhere Emissionsgrade an unseren Außenflächen, um so viel Wärme wie möglich aus dem System abzustrahlen.

Oberflächenbeschaffenheit und Materialeinfluss auf den Emissionsgrad

Die wichtigsten Faktoren für den Emissionsgrad sind die Materialzusammensetzung und die Oberflächenbeschaffenheit. Metallische Oberflächen haben in der Regel einen niedrigen Emissionsgrad, zu dem auch unsere typischen Kühlkörpermaterialien Kupfer und Aluminium gehören. Obwohl wir diese Metalle wegen ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit bevorzugen, sind sie schlechte Materialien, wenn es darum geht, Strahlung zu emittieren. Dies liegt daran, dass diese Materialien hochreflektierend sind, und zwar nicht nur im sichtbaren Spektrum, sondern in allen elektromagnetischen Wellen. Die Implikation dieses inhärenten Glanzes jedes Partikels ist, dass die Oberflächenmoleküle mit größerer Wahrscheinlichkeit die Wärmestrahlung von internen Molekülen zurück in das Volumen reflektieren.


Reflexionswärmestrahlung auf molekularer Ebene Illustration

Rauere Oberflächen geben Wärmestrahlung besser ab. Es ist weniger wahrscheinlich, dass diese Oberflächen die Wärmestrahlung zurück in das Volumen reflektieren. Je weniger metallisch und stumpfer das Material ist, desto besser ist der Emissionsgrad einer Oberfläche.

Wärmemanagement: Strahlung nutzen

Beim Wärmemanagement optimieren wir in der Regel die Strahlung in natürlichen Konvektionslösungen oder Lösungen, bei denen wir keine Flüssigkeit aktiv durch das System drücken. Sie werden viele natürliche Konvektionslösungen mit eloxierten oder beschichteten Oberflächen sehen, aber Sie werden mehr unfertige Aluminium- und Kupferteile in erzwungenen Konvektionskühllösungen sehen. Dies liegt daran, dass die Wirkung der Wärmestrahlung im Vergleich zur Wärmeübertragung bei effektiver Konvektion relativ gering ist. In einigen Anwendungen, in denen Geräte in einem Vakuum gekühlt werden müssen, ist Strahlung die einzige Option zur Kühlung einer Wärmequelle.

Strahlung in Boyd Dschinn

Boyd Genie berücksichtigt standardmäßig die Auswirkungen von Wärmestrahlung für natürliche Konvektionslösungen. Für den Fall, dass Sie die geschätzten Auswirkungen auf die thermische Leistung ohne Strahlung sehen möchten, verfügt Genie über ein Kontrollkästchen auf der Seite Projektbedingungen, um Strahlungsberechnungen zu deaktivieren.


Eingaben für Umgebungsbedingungen in Boyd Genie

Erzwungene Konvektionssimulationen in Genie berücksichtigen die Auswirkungen der Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung nicht, da sie nur minimale Auswirkungen auf die Endleistung hat. Auf diese Weise werden die Ergebnisse für diese erzwungene Konvektion etwas konservativ sein.


Arbeitsumschlag Boyd Genie

Probieren Sie Ihren eigenen Kühlkörper mit natürlicher Konvektion in Genie aus und sehen Sie, wie Wärmestrahlung Ihrer Lösung hilft. Oder wenden Sie sich an das BoydTeam, um Hilfe bei Ihrer Wärmemanagementlösung zu erhalten!

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