Bài giảng Kỹ thuật nhiệt: Chương 7 - TS. Lê Xuân Tuấn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 7: Trao đổi nhiệt bức xạ, cung cấp cho người học những kiến thức như Những khái niệm cơ bản về trao đổi nhiệt bức xạ; các định luật cơ bản về bức xạ; tính trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa các vật trong môi trường trong suốt; bức xạ chất khí;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật nhiệt: Chương 7 - TS. Lê Xuân Tuấn

Chương 7. Trao đổi nhiệt bức xạ 1 1 Chương 7. Trao đổi nhiệt bức xạ 2 2 1
Chương 7. Trao đổi nhiệt bức xạ 3 7.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 7.1.1. Trao đổi nhiệt bức xạ - Mọi vật có nhiệt độ khác 0K đều có khả năng bức xạ năng lượng. Các dao động điện từ được truyền đi trong không gian đập đến một vật nào đó, được vật đó hấp thụ một phần hoặc toàn bộ để biến thành nhiệt năng. - Như vậy, quá trình trao đổi nhiệt bức xạ: nhiệt năng biến thành năng lượng bức xạ, năng lượng bức xạ biến thành nhiệt năng. - Là phương thức trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ. 3 Chương 7. Trao đổi nhiệt bức xạ 4 7.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 7.1.1. Trao đổi nhiệt bức xạ - Đặc trưng của quá trình trao đổi nhiệt bức xạ: + Tia bức xạ truyền đi trong không gian nên không cần tiếp xúc. + Có thể truyền trong môi trường không vật chất tức là trong chân không. + Năng lượng bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối: nhiệt độ càng cao bức xạ càng mạnh nên trao đổi nhiệt bằng bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối của vật: Q = f(T). 4 2
7.1.2. Hệ số hấp phụ, hệ số phản xạ, hệ số xuyên qua 5 - Khi có một dòng bức xạ Q từ vật thể khác tới vật đang xét thì cũng tương tự như ánh xạ: sẽ có một phần nhiệt được hấp thụ biến thành nội năng của vật QA, một phần xuyên qua QD, một phần phản xạ lại môi trường tới QR. Theo định luật bảo toàn năng lượng: Q = QA + QD + QR Q: Dòng nhiệt tới; QA: Dòng xuyên qua; QD: Dòng hấp thụ; QR: Dòng phản xạ. 5 7.1.2. Hệ số hấp phụ, hệ số phản xạ, hệ số xuyên qua (Tiếp theo) 6 !! !" !# + + =1 ! ! ! R+A+D =1 R: Hệ số phản xạ; A: Hệ số hấp thụ; D: Hệ số xuyên qua. R, A, D = 0÷1 nên trong một số trường hợp đặc biệt ta có: A = 1 (R = D = 0) Vật đen tuyệt đối: hấp thụ toàn bộ năng lượng đập tới nó; R = 1 (A = D = 0) Vật trắng tuyệt đối: Phản xạ hoàn toàn năng lượng đập tới nó; D = 1 (R = A = 0) Vật trong suốt tuyệt đối: Cho toàn bộ năng lượng đập tới nó đi qua. 6 3
7.1.3. Năng suất bức xạ, năng suất bức xạ riêng và năng suất 7 bức xạ hiệu dụng 1. Dòng bức xạ Là tổng năng lượng bức xạ từ bề mặt F của vật theo mọi phương của không gian bán cầu và ở mọi bước sóng trong một đơn vị thời gian. - Ký hiệu: Q, đơn vị: W + Q: Phát đi từ bề mặt F (m2) + Không gian bán cầu + 𝜏 = 1s + 𝜆=0÷∞ 7 7.1.3. Năng suất bức xạ, năng suất bức xạ riêng và năng suất 8 bức xạ hiệu dụng (Tiếp theo) 2. Năng suất bức xạ - Là dòng bức xạ ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt bức xạ. "! E= #$ (W/m2) 3. Cường độ bức xạ - Là năng lượng bức xạ riêng ứng với một khoảng hẹp chiều dài bước sóng. "% I 𝜆 = #& (W/m3) 4. Năng suất bức xạ riêng - Là năng suất bức xạ tự bản thân vật. 8 4
7.1.3. Năng suất bức xạ, năng suất bức xạ riêng và năng suất 9 bức xạ hiệu dụng (Tiếp theo) 5. Năng suất bức xạ hiệu dụng - Là dòng mà vật thực tế trao đổi với môi trường. - Xét vật đục: T, D=0. Giả sử có dòng bức xạ đập tới nó Et: dòng này được chia làm 2 phần: một phần hấp thụ AEt, phần phản xạ (1-A)Et và tự bản thân vật cũng bức xạ một lượng là năng suất bức xạ riêng E. Vậy tổng năng suất bức xạ mà vật trao đổi với môi trường: Ehd = E + (1-A)Et !" 6. Vật xám !#" = const 9 7.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ 10 7.2.1. Định luật Plank - Vật đen tuyệt đối: "!#$% Io𝜆 = &! (W/m3) $"' %& -15 2 C1 = 0,374.10 (W/m ) C2 = 1,4388.10-2 (W/m2) 7.2.2. Định luật Wien - Cho biết quan hệ 𝜆max, Io𝜆 '("# '# =0 𝜆maxT = 2,988.10-3m.K 10 5
7.2.3. Định luật Stefan – Boltzman 11 - Năng suất bức xạ trên toàn bộ chiều dài bước sóng tỷ lệ bậc 4 với nhiệt độ tuyệt đối. & E0 = ∫ 𝐼 𝑜𝜆 𝑑𝜆 = 𝜎0T4 ) 𝜎0 = 5,67.10-8 W/m2.K4 hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối; * E0 = C0(+)))4 C0 = 5,67 W/m2.K4 hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối; * Vật xám: E = C(+)))4 - Khi so sánh E và E0 người ta đưa ra khái niệm hệ số bức xạ hay độ % đen: 𝜀 = % $ - Độ đen nói lên khả năng bức xạ của vật xám so với vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ. 11 7.2.4. Định luật Kirchkoff 12 - Các 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. %% %& ,% = ,& = … = E0 % Mặt khác 𝜀 = % nên A= 𝜀 $ Tuy nhiên, hai đại lượng này có bản chất vật lý hoàn toàn khác nhau: + A: khả năng hấp thụ của vật; + 𝜀: khả năng bức xạ của vật xám so với vật đen tuyệt đối. 12 6
7.3. TÍNH TRAO ĐỔI NHIỆT BẰNG BỨC XẠ GIỮA CÁC VẬT 13 TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG SUỐT 7.3.1. Trao đổi nhiệt giữa hai bề mặt phẳng, rộng vô hạn và đặt song song 1. Khi không có màn chắn Ehd1 = E21(1- 𝜀1) + E1 q12 = Ehd1 – Ehd2 E21 = Ehd2 * E1 = 𝜀1C0(+)))4 % Ehd1 = Ehd2(1- 𝜀t) + E1 *& 4 Ehd2 = Ehd1(1- 𝜀2) + E2 E2 = 𝜀2C0( ) +)) + * * q12 = $ $ C0 ( +)) )4 − ( +)) )4 (W/m2) Độ đen hiệu dụng: % & 𝜀1 - 𝜀2 .+ + 𝜀hd = $ $ - 𝜀 .+ 𝜀1 2 13 2. Khi có màn chắn 14 * * q1,m = 𝜀qd,1m C0 ( +)) )4 − ( +)) )4 % ' + 𝜀qd,1m = $ $ *' *& 𝜀1 - 𝜀" .+ q2,m = 𝜀qd,2m C0 ( +)) )4 − ( +)) )4 + 𝜀qd,2m = $ $ 𝜀" - 𝜀! .+ q12 = q1,m = q2,m + * * q12 = $ $ % C0 ( +)) )4 − ( +)) )4 % & 𝜀1 - 𝜀2 - 𝜀" ./ + * * n màn chắn q12 = $ $ % C0 ( +)) )4 − ( +)) )4 % & 𝜀1 - 𝜀2 - 0( 𝜀 ./) " 14 7
7.3.2. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bọc nhau 15 + 𝜑21 = #$ +# Q12 = Qhd1 – Qhd2 Qhd1 = Q1 + (1 - A1)𝜑21Qhd2 Qhd2 = Q2 + (1 – A2)Qhd1 + (1 - 𝜑21)(1 - A2)Qhd2 Q1 = F1E1 Q2 = F2E2 , 1$ 1# Q12 = $ &! $ C0F1 ( )4 − ( )4 (W) - ( /,) ,22 ,22 𝜀1 &2 𝜀2 , Đặt 𝜀qd = $ & $ độ đen quy dẫn 𝜀1 - &! ( 𝜀2 /,) 2 1$ 1# Q12 =𝜀qdC0F1 ( )4 − ( )4 (W) ,22 ,22 15 7.4. BỨC XẠ CHẤT KHÍ 16 7.4.1. Đặc điểm bức xạ của chất khí - Bức xạ chất khí có tính chọn lọc: Các chat khí không hấp thụ hoặc bức xạ trong toàn bộ chiều dài bước song mà chỉ trong từng khoảng chiều dài bước song, ngoài những khoảng chiều dài này thì chat khí không hấp thụ hoặc bức xạ năng lượng; - Bức xạ có tính thể tích: Không bức xạ trên bề mặt như vật rắn mà bức xạ hay hấp thụ trong toàn bộ khối khí. Nên bức xạ khối khí không những phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối mà còn phụ thuộc vào mật độ môi trường và đường đi. 𝜀k = f(T, pl) - Chỉ có khí > 3 nguyên tử mới bức xạ. 16 8
7.4.2. Năng suất bức xạ chất khí 17 𝑻 ECO2= 4,07(pl)0,33( 𝟏𝟎𝟎)3,5 𝑻 3 EH2O= 4,07p0,8l0,6( ) 𝟏𝟎𝟎 𝑻 Ek = 𝛆kC0 ( 𝟏𝟎𝟎)4 ( 𝛆k = f(T, p,l) 𝛆k = 𝛆CO2 + 𝛃𝛆H2O 𝛆CO2 = f(Tk, pCO2, l) 𝛆H2O = f(Tk, pH2O, l) 6 l = 3,6 $, m 17 7.4.3. Tính trao đổi nhiệt bức xạ giữa khối khí với bề mặt bao 18 quanh nó * * qk-w = 𝛆whdC0 𝛆k( +)) )4 − 𝛆’k( +)) )4 ( ) 𝛆)-𝟏 𝛆whd = / 𝛆k = 𝛆CO2 + 𝛃𝛆H2O 𝛆CO2 = f(Tk, pCO2, l); 𝛆H2O = f(Tk, pH2O, l) 𝛆’k = 𝛆’CO2 + 𝛃𝛆’H2O 𝛆CO2 = f(Tw, pCO2, l); 𝛆H2O = f(Tw, pH2O, l) * * qk-w = 𝛆kwC0 ( +)) )4 −( +)) )4 , W/m2 ( ) 𝟏 𝛆kw = 𝟏 𝟏 𝛆k - 𝛆% .+ 18 9
7.5. BỨC XẠ MẶT TRỜI 19 - Nhiệt độ bề mặt: 5762oC, nhiệt độ ở tâm: 8.106 ÷ 40.106 K; - Năng lượng của mặt trời phát đi dưới dạng sóng điện từ; - Mật độ dòng bức xạ trực xạ tính với 1m2 bề mặt trái đất vuông góc với tia bức xạ: 1350 W/m2. 19 10