Varmeafgivelse og farve – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om Fysik > ? om Fysik > Varmeafgivelse og farve

02. juni 2015

Varmeafgivelse og farve

Hej Spørg om Fysik
Jeg kunne godt tænke mig at få svar på, om en sort køler er mere effektiv end eksempelvis en ufarvet aluminiumskøler? Der er jo noget om, at sort bedre optager varme, men virker det så også den anden vej, at det bedre afgiver varme?

Helt specifikt drejer det sig om køling af kølevæske til biler, luft i ladeluftkølere og motor og gearolie i oliekølere.

Det ser jo flot ud med sådan en poleret alu intercooler, men er det det bedste valg, hvis man ønsker at køle effektivt?

Har set nogle australske gutter på youtube, der laver en opstilling med en intercooler i alu, og så måler lufttemperaturen der kommer igennem. Med samme opstilling, blot med den ændring, at køleribberne fik med sort spraymaling fik en 13*C lavere temperatur, så må der jo være noget om snakken.

Men hvad siger en klog fysiker???

Med venlig hilsen
M E H

Farven af en flade har stor betydning for varmestrålingen. Varmestråling fra en given flade bestemmes af fladens farve og belægning. En blank flade udsender stort set ikke varmestråling, og den modtaget det heller ikke.

Strålevarme

Man kan tilskrive et legeme med en given farve overflade en emissionsevne, e, som afhænger af bølgelængden λ dvs. evne til at udstråle varme, i et bestemt bølgelængdeområde, Δλ, som eλ* Δλ, det gælder pr. arealenhed af overfladen. Tilsvarende har en overflade en absorptionsevne aλ. Δλ , a må ligge imellem 0 og 1, idet den er 1, hvis al energi der indstråles imod legemet optages af overfladen, og 0 hvis al energi reflekteres af overfladen. Det der reflekteres rλ er altså rλ= 1 -  aλ. Hvis absorptionsevnen for alle bølgelængder er 1, kaldes legemet absolut sort, det betyder også at refleksionsevnen er 0.

Sortfarvet køler

Et sort legeme udstråler mere varme end et hvidt i det synlige område, og hvis der kommer stråling der rammer legemet absorberes også mere. Et blankt legeme reflekterer alt energi (det er derfor man har blanke spejle, så man kan nyde billedet af sig selv)

Problemet er, at de bølgelængder der er interessante ved f.eks. 100 graders celsius ligger langt ude i det infrarøde område, som vi altså ikke kan se. Det vi har brug for er ”farven” i det område af spekteret, og den kan måles, men vi kan ikke vurdere den med synet. Det er helt samme problem, som hvilken maling man giver solfangere, det er ikke nok at male den sort, det kommer an på i hvilket bølgelængde område den pågældende maling så er sort. I området omkring vor kropstemperatur er vor hud nær ved at være ”sort”. Ser man på reklamerne, er der mange både sorte, hvide, metalfarvede og anderledes farvede kølere.

Ufarvet køler

Se mere på: Stefan-Boltzmanns lov >>

Nu til køleren. Køleren virker ved at man sender en luftstrøm igennem den, og derved køler indholdet normalt vand eller olie. Forskellen på en matsort køler og en spejlende er altså, hvor meget varme der udstråles dvs. den stråling, som ikke igen rammer køleren og optages igen (altså den sorte flade der ses udefra fra begge sider). Det har også betydning ved luftkøling, hvor glat overfladen er, en forkromet overflade vil give en glat strømning, som normalt ikke vil køle så meget, som en lidt mere ujævn overflade.

Køler af kobber

Altså indgående i køleevnen er farven af køleren, udenfor det område vi kan se; hvor glat overfladen er, konstruktionen generelt især i forhold til luftstrømningen igennem (aerodynamik) og temperaturen, for energiomsætningen i øvrigt ens kølere.

I praksis kan det bedst undersøges ved forsøg enten evt. ved at måle lufttemperaturen efter køleren eller bedre, ved at måle, hvor meget væsken køles, hvis den sendes igennem køleren med ens hastigheder og ens starttemperaturer, i to ens kølere, en sort og en ufarvet eller blank, og med den luftstrømningshastighed som køleren skal anvendes ved. Derved måles deres primære funktion, som jo er det, vi er interesseret i.  Naturligvis har udseendet i visse tilfælde også betydning.

Køletårne ved kraftværk, her køles med vand og en væsentlig del af køleeffekten kommer fra vandfordampning

En sort køler (som også er sort i den rigtige bølgelængde) giver altså et strålingsbidrag, som jeg vil mene, ikke er voldsomt stort i forhold til luftkølingen, men det kommer også an på luftstrømmen igennem køleren. I de fleste tilfælde er køleren jo normalt konstrueret til en bestemt indgangstemperaturområde, et bestemt energitab eller udgangstemperaturområde i et givet interval af luftstrømme enten givet ved kørsel eller ofte mekaniske ventilatorer.

Forsøget kan forholdsvis nemt laves, hvis nogen vil lægge bil til med ufarvet køler. Rens køleren med en kort gang højtryksspuling. Mål tilløbstemperaturen og fraløbstemperaturen med rørtermometer ved passende motorhastighed, hvor den elektriske ventilator kører, sprøjtemal sort og lav samme forsøg igen med samme tilløbstemperatur mm. Det bude give et ret klart indtryk af farvens (nok manglende) betydning ved de temperaturer.

Luftkøler i forbindelse med geotermisk energi

Jeg beklager, at jeg ikke kan gives et nagelfast svar, fordi omstændigheder og konstruktion har stor indflydelse, så svaret er prøv at måle, tvivler jeg på, at farven kan påvirke resultatet ret meget.

Med venlig hilsen
Malte Olsen