NKT-B31
CHƯƠNG 3. TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ
3.1. Những khái niệm cơ bản
3.1.1. Trao đổi nhiệt bức xạ
Trao đổi nhiệt bằng bức xạ là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ.
Ta biết rằng mọi vật có nhiệt độ khác không độ tuyệt đối, do kết quả của quá trình dao động điện từ của các phân tử nguyên tử, đều có khả năng bức xạ năng lượng. Các dao động điện từ được truyền đi trong không gian theo mọi hướng gọi là sóng điện từ. Các sóng điện từ có cùng bản chất, chỉ khác nhau về chiều dài bước sóng. Tuỳ theo bước sóng người ta chia thành tia vũ trụ, tia Rơnghen, tia tử ngoại, tia sáng, tia hồng ngoại và sóng vô tuyến.
Trong kỹ thuật nhiệt, ta chỉ khảo sát những tia mà nhiệt độ thường gặp, chúng có hiệu quả cao (nghĩa là các tia này được vật chất hấp thụ và biến thành nhiệt) các tia này gọi là tia nhiệt. Tia nhiệt bao gồm tia sáng (l =0,4¸0,8 mm) và tia hồng ngoại (l =0,8¸400 mm). Quá trình phát sinh và truyền bá các tia nhiệt trong không gian gọi là bức xạ nhiệt, quá trình trao đổi nhiệt dưới dạng các tia nhiệt gọi là trao đổi nhiệt bức xạ. Các tia nhiệt truyền đi trong không gian khi đập vào các vật khác chúng bị hấp thụ một phần hay toàn bộ để lại biến thành năng lượng nhiệt. Như vậy quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ liên quan đến hai lần chuyển biến năng lượng: nhiệt năng (nội năng) biến thành năng lượng bức xạ và năng lượng bức xạ lại biến thành nhiệt năng.
Một vật không chỉ có khả năng phát đi năng lượng bức xạ mà còn có khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ. Khi nhiệt độ của các vật bằng nhau, trị số năng lượng hấp thụ bằng trị số năng lượng bức xạ ta nói các vật ở trạng thái cân bằng.
Khác với trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt bằng đối lưu, cường độ trao đổi nhiệt không chỉ phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối nhiệt độ của các vật, nghĩa là nếu quá trình tiến hành ở nhiệt độ càng cao thì vai trò của trao đổi nhiệt bằng bức xạ càng lớn. Ngoài ra sự trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa các vật còn có thể tiến hành trong chân không.
3.1.2. Hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ và hệ số xuyên qua
Giả sử có dòng bức xạ Q từ vật thể khác đập tới vật thể đang xét thì một phần bị phản xạ QR, một phần được vật hấp thụ QA và một phần xuyên qua vật QD (hình 3.1).
Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:
Q = QA + QR + QD (3.1)
hay (3.2)
Các tỷ số: = A gọi là hệ số hấp thụ
gọi là hệ số phản xạ
gọi là hệ số xuyên qua
Ta có: 1 = A + R + D (3.3)
Giá trị của A, R, D (thay đổi 0¸1) phụ thuộc vào bản chất các vật, phụ thuộc vào chiều dài bước sóng, nhiệt độ và trạng thái bề mặt.
-Nếu A = 1 (R và D = 0) khi đó gọi là vật đen tuyệt đối, nghĩa là vật có khả năng hấp thụ toàn bộ năng lượng đập tới nó.
-Nếu R = 1 (A và D = 0) khi đó gọi là vật trắng tuyệt đối, nghĩa là vật có khả năng phản xạ lại toàn bộ năng lượng đập tới nó.
-Nếu D = 1 (R và A = 0) khi đó gọi là vật trong suốt tuyệt đối, nghĩa là vật có khả năng cho toàn bộ năng lượng đập tới nó đi qua.
Các loại khí có số nguyên tử trong phân tử nhỏ hơn hoặc bằng 2 có thể xem là vật trong suốt đối với tia nhiệt, D = 1.
Các vật rắn và chất lỏng có thể coi D = 0 và được gọi là vật đục. Đối với vật đục A + R = 0, nghĩa là vật hấp thụ tốt thì phản xạ tồi và ngược lại.
3.1.3. Năng suất bức xạ, năng suất bức xạ riêng và năng suất bức xạ hiệu dụng
3.1.3.1. Dòng bức xạ
Dòng bức xạ là tổng năng lượng bức xạ phát đi từ diện tích F của vật theo mọi hướng của không gian bán cầu trong một đơn vị thời gian ứng với toàn bộ chiều dài bước sóng (l = 0¸¥).
Ký hiệu: Q (W)
Nếu bức xạ chỉ tương ứng với một khoảng hẹp của chiều dài bước sóng từ l đến l + dl thì gọi là bức xạ đơn sắc. Với bức xạ đơn sắc ta có dòng bức xạ đơn sắc Ql.
3.1.3.2. Năng suất bức xạ
Năng suất bức xạ là năng lượng bức xạ phát đi từ một đơn vị diện tích bề mặt theo mọi hướng của không gian bán cầu trong một đơn vị thời gian ứng với toàn bộ chiều dài bước sóng.
Ký hiệu: E = dQ/dF, W/m2
3.1.3.3. Cường độ bức xạ
Cường độ bức xạ là năng suất bức xạ ứng với một khoảng hẹp của chiều dài bước sóng.
Ký hiệu: Il = dE/dl, W/m3
3.1.3.4. Năng suất bức xạ riêng
Năng suất bức xạ riêng là năng suất bức xạ E của bản thân vật.
3.1.3.5. Năng suất bức xạ hiệu dụng
Giả sử có vật đục có nhiệt độ T, hệ số hấp thụ A, năng lượng bức xạ của vật khác đập tới nó là Et (hình 3.1).
Khi đó vật sẽ hấp thụ một phần là AEt, còn một phần phản xạ lại là (1- A)Et = ER.
Năng suất bức xạ hiệu dụng là tổng năng suất bức xạ riêng và năng suất bức xạ phản xạ:
Ehd = E + (1- A)Et (3.4)
3.1.3.6. Năng suất bức xạ hiệu quả
Là năng lượng trao đổi giữa vật với môt trường.
Qhq = çQA- Qê = çQm – Qhdê
= çQA – QRê-çQ – QRê= çQA – Qê, W (3.5)
tương tự như vậy ta có: qh = çEA – Eê=çEm – Ehdê,W/m2 (3.6)
3.1.3.7. Vật xám
Vật xám là vật mà Il của nó có dạng giống như I0 của vật đen tuyệt đối: Il/I0 = const. Thực nghiêm cho thấy phần lớn các vật đều có thể coi là vật xám.
3.2. Các định luật cơ bản về bức xạ nhiệt
Việc thiết lập các định luật bức xạ cho mọi vật chất bất kỳ với mọi trạng thái ở các nhiệt độ là điều khôg thể làm được nên để đơn giản người ta chọn vật có đặc tính bức xạ vạn năng nhất làm vật cơ sở, đối với các vật khác thông qua vật cơ sở để hiệu chỉnh. Vật cơ sở được chọn là vật đen tuyệt đối. Các định luật bức xạ được thiết lập trên vật đen tyuệt đối.
3.2.1. Định luật Stefan-Boltzman
Năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối tỷ lệ bậc 4 với nhiệt độ tuyệt đối.
Năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối có thể được xác định bằng:
, W/m2 (3.6)
s0- hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối; s0 = 5,67.10-8 W/m2K4
Trong tính toán kỹ thuật, đinh luật Stefan-boltzman thường được viết dưới dạng:
, W/m2 (3.7)
C0- hệ số bức xạ của vật đen tuệt đối; C0 = 5,67, W/m2K4
Định luật Stefan-Boltzman cũng có thể dùng cho vật xám.
Đối với vật xám: , W/m2 (3.8)
C- hệ số bức xạ của vật xám.
Khi so sánh năng suất bức xạ của vật xám với năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối có cùng nhiệt độ ta có: e = E/E0 (3.9)
e- độ đen của vật; e = 0¸1
Giá trị của e được xác định bằng thực nghiệm, e phụ thuộc vào nhiệt độ và trạng thái bề mặt.
Thay các giá trị E, E0 vào ta có: e = C/C0 => C = eC0 (3.10)
Khi đó định luật Stefan-Boltzman đối với vật xám có dạng:
,W/m2 (3.11)
3.2.2. Định luật Kirchkoff
Các vật thể (vật đục) khác nhau nhưng nhiệt độ như nhau thì tỷ số giữa năng suất và hệ số hấp thụ là như nhau và bằng năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ:
hay = E0 (3.12)
Theo định luật 1 và 2 này ta có e = A, nghĩa là về mặt trị số độ đen bằng hệ số hấp thụ. Điều này cũng có nghĩa vật nào có khả năng bức xạ tốt thì cũng có khả năng hấp thụ tốt và ngược lại. Vậy vật trắng trong suốt không hấp thụ năng lượng thì không bức xạ năng lượng. Định luật này cũng đúng cho bức xạ đơn sắc nghĩa là vật có khả năng hấp thụ ở những giải bước sóng nào thì cũng có khả năng bức xạ ở chính những giải bước sóng đó, ngoài những giải bước sóng đó vật được coi là trong suốt.
3.3. Các bài toán cơ bản về trao đổi nhiệt bằng bức xạ
3.3.1. Trao đổi nhiệt giữa hai bề mặt phẳng rộng vô hạn và đặt song song
Một trong những phương pháp để giải những bài toán trao đổi nhiệt bức xạ có hiệu quả lại đơn giản là phương pháp số dư bức xạ hiệu dụng của Poliatx.
Phát biểu: Trong hệ bức xạ kín của hai vật hiệu bức xạ hiệu dụng chính là năng lượng trao đổi bằng bức xạ.
q12 = Ehd1 – Ehd2, W/m2 với T1 > T2 (3.13)
Q12 = Qhd1 – Qhd2, W (3.14)
Công thức bức xạ hiệu dụng của Poliatx (1939):
(3.15)
(3.16)
Dấu (+) đối với vật nhận nhiệt.
Dấu (-) đối với vật nhả nhiệt.
3.3.1.1. Khi không có màn chắn
Khi hai bề mặt phẳng rộng vô hạn, đặt cách nhau một khoảng thì tất cả các tia năng lượng phát đi từ bề mặt này đều đập tới bề mặt kia và ngược lại. Bề mặt 1 có nhiệt độ T1, hệ số hấp thụ A1, bề mặt 2 có nhiệt độ T2, A2 giả thiết T1 > T2 (hình 3.3)
Theo Poliatx:
Lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt 1 và 2 là:
q12 = Ehd1 – Ehd2 (3.17)
Mà
và
Thay vào (3.17) ta có:
(3.18)
Để ý: q12 = qhd1 = qhd2
=> (3.19)
Mặt khác theo Kirchkoff: và Ai = ei ở cùng Ti nên:
(3.20)
Đặt eqd = là độ đen qui dẫn của cả hai bản phẳng (của hệ).
=>, (W/m2) (3.21)
3.3.1.2. Khi có màn
Một trong những biện pháp ngăn ngừa dòng bức xạ có hiệu quả là sử dụng màn chắn.
Giả thiết giữa hai bề mặt 1 và 2 ta đặt thêm một màn chắn có độ đen em, còn nhiệt độ màn là Tm chưa biết. Do quá trình trao đổi nhiệt là ổn định và một chiều, nên: q12m = q1m = qm2
Dựa vào tính chất của tỷ lệ thức ta có:
=> (3.21)
Chứng minh tương tự đối với trường hợp đặt n màn chắn có độ đen như nhau, ta có:
(3.22)
Ta thấy trong trường hợp có đặt màn chắn lượng nhiệt trao đổi bức xạ sẽ giảm.
Giả thiết e1 = e2 = em, ta có: (3.23)
Như vậy lượng nhiệt trao đổi giữa bề bặt 1 và 2 kkhi đặt n màn chắn nhỏ hơn (n+1) lần lượng nhiệt khi không đặt màn.
3.3.2. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau
Giả sử vật 1 có diện tích F1, T1, A1, e1 được bọc bởi vật 2 có F2, T2, A2, e2 (T1 > T2). Xác định lượng nhiệt trao đổi giữa hai vật này.
Ta thấy các tia năng lượng phát đi từ vật 1 đều đập tới bề mặt 2 nhưng các tia năng lượng phát ra từ vật 2 chỉ có một phần đập tới bề mặt vật 1 còn một phần lại đập lên chính bản thân nó.
Tỷ số giữa dòng bức xạ phát đi từ vật 2 đập tới vật 1 là Q21 so với toàn bộ dòng bức xạ của vật 2 phát đi Q2 gọi là hệ số góc bức xạ của vật 2 tới vật 1:
j21 = Q21/Q2 (3.24)
Lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt 1 và 2 là:
Theo poliatx:
(3.25)
Mà Q12 = Qhq1 = Qhq2, , Ai = ei nên ta có:
(3.26)
=> (3.27)
Để xét j ta xét hệ này khi nó tiến đến trạng thía cân bằng (T1 = T2 = T) khi đó Q12 = 0.
=> (3.28)
(3.29)
là hệ số góc bức xạ (hệ số hình dáng).
Thay (3.29) vào (3.27) ta có:
, W
, W (3.30)
eqd- gọi là độ đen quy dẫn của hệ.
Trường hợp F2 >> F1 thì F1/F2 = 0 do đó:
, W (3.31)
Các công thức trên sử dụng khi bề mặt vật 1 là lồi hoặc phẳng, không được lõm.
3.4. Bức xạ nhiệt của chất khí
3.4.1. Đặc điểm bức xạ của chất khí
Các chất khí cũng có khả năng hấp thụ và bức xạ năng lượng. Tuy nhiên đối với các chất khí khác nhau thì khả năng hấp thụ và bức xạ năng lượng sẽ khác nhau. Các chất khí một hoặc hai nguyên tử như hiđrô, ôxi, không khí... có khả năng hấp thụ và bức xạ thấp, vì thế trong bức xạ nhiệt ta ít lưu ý đến các khí một hoặc hai nguyên tử. Các chất khí có ba hoặc nhiều nguyên tử như CO2, SO2, HO2 có khả năng hấp thụ và bức xạ tương đối cao nên trong bức xạ phải lưu ý đến các bức xạ của chất khí này.
So với chất rắn chất khí có những đặc điểm sau:
- Bức xạ của chất khí có tính chọn lọc:
Các vật rắn bức xạ và hấp thụ năng lượng trong toàn bộ chiều dài bước sóng nhưng các chất khí thì chỉ bức xạ và hấp thụ năng lượng trong từng khoảng chiều dài bước sóng, ngoài những khoảng chiều dài bước sóng này thì chất khí không hấp thụ và bức xạ năng lượng. Chính vì thế mà năng lượng bức xạ của chất khí chỉ có thể tính bằng tổng năng lượng của từng khoảng chiều dài bước sóng.
- Bức xạ của chất khí có tính thể tích:
Ở vật rắn hoặc lỏng sự bức xạ và hấp thụ năng lượng chỉ xảy ra trên lớp mỏng bề mặt vật, nhưng ở chất khí sự bức xạ và hấp thụ xảy ra trong toàn bộ khối khí. Khi cho một tia năng lượng đi qua khối khí thì năng lượng của tia giảm dần, sự giảm năng lượng này phụ thuộc vào số phân tử chất khí mà tia gặp phải trên quãng đường đi, nghĩa là phụ thuộc vào mật độ của khối khí (mật độ của khối khí có thể thay bằng áp suất của khối khí p) và phụ thuộc vào chiều dài l mà tia năng lượng đi qua.
Như vậy rõ ràng đối với chất khí, độ đen và hệ số hấp thụ của nó không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào tích số pl.
ek = f(T, pl)
3.4.2. Năng suất bức xạ của chất khí
Bằng thực nghiệm người ta đã xác định được năng suất bức xạ của từng loại chất khí phụ thuộc vào các thông số p, l, T. Thí dụ, đối với CO2 và hơi nước (hai thành phần chủ yếu của sản phẩm cháy), năng suất bức xạ của nó có thể xác định theo công thức thực nghiệm sau:
(3.32)
(3.33)
Các công thức này không thuận lợi cho tính toán kỹ thuật do đó để thuận tiện, người ta coi chất khí cũng tuân theo định luật Stefan-Boltzmann Và năng suất bức xạ của chất khí được xác định bằng:
(3.34)
Ở đây ek là độ đen của chất khí, ek = f(T, pl) và được xác định bằng đồ thị. Nếu là hỗn hợp khí gồm CO2 và H2O thì:
(3.35)
Trong đó: và -độ đen của khí CO2 và H2O được xác định riêng cho từng loại chất khí.
,
và- phân áp suất của khí CO2 và H2O trong hỗn hợp khí.
l- chiều dài quãng đường đi trung bình của tia: , m
V- thể tích của khối khí, m3;
F- diện tích bề mặt bao quanh khối khí, m2
b- hệ số hiệu chỉnh kể đến sự phụ thuộc của vào phân áp suất của H2O trong hỗn hợp khí, b cũng được tra từ đồ thị.
3.4.3. Tính trao đổi nhiệt bức xạ giữa khối khí với bề mặt bao quanh nó
Giả sử khối khí có nhiệt độ Tk được bao quanh bởi bề mặt có nhiệt độ Tw, cần xác định lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa chất khí và vách bao quanh nó. Đây là một bài toán phức tạp, một cách gần đúng ta có thể xác định theo công thức sau:
(3.36)
Ở đây: C0 = 5,67 W/m20K4
ewhd- độ đen hiệu dụng của bề mặt vách:
Tk- nhiệt độ của chất khí;
Tw- nhiệt độ của bề mặt vách bao quanh.
(3.37)
VỚI VÀ
(3.37)
Với và
Trong những năm gần đây một số tác giả đã đưa ra công thức tính toán gần đúng đơn giản hơn như sau:
, W/m2 (3.39)
Với ekw =
ek và ew- độ đen của chất khí và độ đen của bề mặt vách bao quanh;
ekw- độ đen quy dẫn.
3.5. Bức xạ mặt trời
Khảo sát tính chất của bức xạ mặt trời có ý nghĩa rất lớn trong việc thiết kế các vệ tinh nhân tạo, mặt khác còn rất quan trọng đối với việc sử dụng dạng năng lượng này trên mặt đất, một xu hướng ngày càng được quan tâm rộng rãi và có nhiều triển vọng. Ngày nay năng lượng mặt trời không chỉ sử dụng để sấy, sưởi mà còn được sử dụng nhiều trong lĩnh vực như chưng cất nước, làm lạnh, điều tiết không khí, nấu chảy kim loại tinh khiết, ... Các loại pin mặt trời và các nhà máy điện sử dụng năng lượng đã trở thành khá quen thuộc trong kỹ thuật và đời sống.
Mặt trời là khối hình cầu có đường kính 1,392.106 km, cách xatrái đất 149,6.106km, có nhiệt độ bề mặt là 57770K và nhiệt độ ở tâm thay đổi trong koảng8.106 đến 40.106K. Có thể xem mặt trời là một lò phản ứng nhiệt hạch khổng lồ biến hyđrô thành hê li có công suất là 4.1023kW. Năng lượng mặt trời phát ra trong một năm tương đương với 400.000 tỷ tấn nhiên liệu qui ước, nhưng quả đất chi nhận được một phần nhỏ trong số đó-tương đương với koảng 200 tỷ tấn nhiên liệu.
Năng lượng mặt tròi được phát ra dưới dạng sóng điện từ và do nhiêt độ cao nên phần lớn năng lượng phát ra ở vùng bước sóng ngắn: 98% năng lương tập trung ở vùng có bước sóng nhỏ hơn 3mm và khoảng 50% năng lượng phát ra trong vùng ánh sáng trắng (l = 0,4¸0,76 mm). Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp xuống trái đất. Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời được gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia bức xạ trực xạ và bức xạ tán xạ gọi là bức xạ tổng xạ.
Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:
ở đây, jD-T là hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời;
b là góc nhìn mặt trời (xem là một đĩa tròn) từ trái đất b » 32 phút.
, W/m2
Góc nhìn b thay đổi theo khoảng cách giữa mặt trời va trái đất, do đó giá trị q thay đổi ít nhiều tuỳ theo mùa trong năm. Nhưng sư thay đổi này không lớn lắm nên có thể xm là không đổi và q = 1368 W/m2 được gọi là hằng số mặt trời.
Mật độ dòng bức xạ tán xạ trên mặt đất vào những ngày trời là khoảng 40¸90W/m2.
Do bức xạ mặt trời tập trung ở vùng sóng ngắn nên khi chọn vật liệu để ngăn bức xạ mặt trời (như mái nhà) cần chọn loại vật liệu pji kim loại có màu sáng vì những loại vật liệu này có hệ số hấp thụ nhỏ đối với các tia bức xạ sóng ngắn. Ngược lại khi cần tập trung năng lượng mặt tròi cần phải chọn vật liệu có hệ số hấp thụ lớn các tia sóng ngắn và có hệ số bức xạ (độ đen) bé ở nhiệt độ thấp để vừa tăng cường được khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời vừa giảm được tổn thất năng lượng do bê mặt hấp thụ bức xạ ra môi trường xung quanh. Thông thường người ta phải dùng các phương pháp đặc biệt để chế tạo các bề mặt có đặc tính hấp thụ và bức xạ chọn lọc theo ý muốn.
Các bộ thu năng lượng mặt trời dạng hộp phẳng thườn đựoc phủ một lớp hoặc nhiều lớp kính (2 đén 3 lớp). Lớp kính cho các tia bức xạ mặt trời có bước sóng ngắn xuyên qua để đập tới bề mặt hấp thụ phát ra có bước sóng dài đi qua, nên hiệu quả thu năng lượng được nâng lên so với trường hợp không dùng kính. Ngoài ra lớp kính còn có tác dụng hạn chế quá tình toả nhiệt đối lưu ra môi trường xung quanh.
Bạn đang đọc truyện trên: Truyen3h.Co