5/7/2012 TÀI LIỆU HỌC TẬP [1] Giáo trình Kỹ Thuật Nhiệt, khoa công nghệ nhiệt lạnh, trường ĐHCN Tp Hồ Chí Minh [2] Hồng Đình Tín – Bùi Hải, Bài tập nhiệt động lực học kỹ thuật truyền nhiệt, Nhà xuất đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2002 GV: VÕ LONG HẢI email: longhaivo@gmail.com 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 07/05/2012 TÀI LIỆU HỌC TẬP NỘI DUNG 1.1 Các vấn đề chung 1.2.Một số khái niệm định nghĩa 1.3 Thông số trạng thái 1.4 Khí lý tưởng 1.5 Hỗn Hợp khí lý tưởng 1.6 Định luật nhiệt động thứ 1.7 Các phương trình liên quan đến tích số T.ds 1.8 Các q trình nhiệt động khí lý tưởng 1.9 Định luật nhiệt động thứ hai CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH CHẤT KHÍ CHƯƠNG 3: HƠI NƯỚC CHƯƠNG 4: KHƠNG KHÍ ẨM CHƯƠNG 5: LƯU ĐỘNG VÀ TIẾT LƯU CHƯƠNG 9: TRUYỀN NHIỆT CHƯƠNG 10: DẪN NHIỆT CHƯƠNG 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 07/05/201212: BỨC XẠ NHIỆT Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG CHƯƠNG 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 5/7/2012 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 1.1 Các vấn đề chung Cơ sở nhiệt động lực học định luật nhiệt động thứ nhiệt động lực thứ hai - Định luật đề cập đến vấn đề bảo toàn lượng (chủ yếu nhiệt cơng) - Định luật rõ q trình diễn hay khơng diễn ra, điều kiện để trình diễn ngược với chiều tự nhiên 1.1 Các vấn đề chung Theo hướng chuyển động nhiệt lượng máy nhiệt chia thành hai lọai: - Động nhiệt: Là loại máy nhận nhiệt dùng để sinh công Các máy làm việc theo nguyên lý: Môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng giãn nở để biến phần nhiệt thành cơng sau nhả phần nhiệt lại cho nguồn lạnh Ví dụ: Động đốt trong, động phản lực, máy nước 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 07/05/2012 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 1.1 Các vấn đề chung Bơm nhiệt máy lạnh: Các máy nhận cơng từ bên ngồi để chuyển nhiệt lượng từ mơi trường có nhiệt độ thấp đến mơi trường có nhiệt độ cao Về phạm vi họat động khác nhau: - Máy lạnh: nhiệt lượng chuyển từ nơi có nhiệt độ thấp môi trường xung quanh đến môi trường xung quanh hay máy lạnh dùng làm lạnh vật - Bơm nhiệt: nhiệt lượng chuyển từ môi trường xung quanh đến nơi có nhiệt độ cao mơi trường xung quanh hay bơm nhiệt để sưởi ấm, sấy vật 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 1.1 Các vấn đề chung 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 5/7/2012 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 1.1 Các vấn đề chung Nguồn nhiệt: Là nơi cung cấp nhận nhiệt chất môi giới chu trình Trong chu trình phải có nguồn nhiệt, nguồn nóng có nhiệt độ T1, nguồn lạnh có nhiệt độ T2 (T1 > T2) Chất mơi giới Là chất trung gian dùng để thực trình biến đổi nhiệt công hệ thống nhiệt động Có thể xem khí hyđro, oxy, nitơ, khơng khí khí lý tưởng 1.1 Các vấn đề chung Công nhiệt lượng Công nhiệt động kỹ thuật ký hiệu L Quy ước công vật sinh dương ngược lại công vật nhận âm Năng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh chúng tiếp xúc với gọi nhiệt lượng Ký hiệu Q Quy ước: nhiệt lượng vật nhận dương vật thải âm 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 07/05/2012 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 10 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA -Hệ thống nhiệt động: Đối tượng nghiên cứu phạm vi nhiệt động lực học gọi hệ thống nhiệt động 1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA Động nhiệt, bơm nhiệt máy lạnh Bên hệ thống có chất mơi giới trạng thái chất môi giới thay đổi hệ thống hoạt động 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 11 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 12 5/7/2012 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA 07/05/2012 1.3 THÔNG SỐ TRẠNG THÁI Thông số trạng thái đại lượng vật lý có giá trị xác định trang thái xác định Thơng số trạng thái hàm phụ thuộc vào trạng thái mà không phụ thuộc vào q trình Các thơng số trạng thái: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng, khối lượng riêng, entanpy, entropy, nội Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 13 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 14 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 1.3 THƠNG SỐ TRẠNG THÁI 1.3.1 Nhiệt độ - Nhiệt độ đại lượng vật lý, biểu thị mức độ nóng, lạnh vật, yếu tố định hướng chuyển động dòng nhiệt - Các loại nhiệt độ thường gặp: K = °C + 273 (1.1) Nhiệt độ Kelvin 1.3 THÔNG SỐ TRẠNG THÁI 1.3.2 Áp suất Áp suất lực tác dụng phần tử chất khí theo phương pháp tuyến lên đơn vị diện tích thành bình chứa chất khí đó, áp suất ký hiệu p Nhiệt độ Celcius Nhiệt độ Fahrenheit Nhiệt độ Rankine 07/05/2012 °C = (°F _ 32) 9 °F = °C + 32 (1.2) R = °F + 460 (1.4) Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG p= F S [N/m²] hay [Pa] (1.5) at = kgf/ cm² = 0,981 bar = 0,981×105 N/m² mH2O = 0,1 at = 0,098 bar mmHg =133,322 N/ m² kPa = 103 Pa; MPa = 106 Pa kgf/ cm² = 14,2 PSI PSI = 0,07at (1.3) 15 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 16 5/7/2012 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG Phân loại áp suất - Áp suất thật chất khí áp suất tuyệt đối: p - Áp suất tuyệt đối khí kí hiệu p0 - Phần áp suất chất khí lớn áp suất khí áp suất dư kí hiệu pd - Phần áp suất nhỏ áp suất khí gọi độ chân khơng kí hiệu pck Ta có: p = po + pd (1.6) p = po – pck (1.7) Dụng cụ để đo áp suất gọi áp kế: - Áp kế dùng để đo áp suất khí gọi Barometer - Áp kế dùng để đo áp suất dư gọi Manometer - Áp kế dùng để đo chân không gọi Vacuumeter 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 17 Phân loại áp suất 07/05/2012 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 18 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG Phân loại áp suất 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG Ghi : Khi đo áp suất áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần hiệu chỉnh nhiệt độ 0C h0 = h (1 - 0,000172 t) : t - nhiệt độ cột thủy ngân, [0C] ; h0 - chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnh nhiệt độ 0C ; h - chiều cao cột thủy ngân nhiệt độ t 0C Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 19 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 20 5/7/2012 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 1.3.3 Thể tích riêng khối lượng riêng Thể tích riêng thể tích đơn vị khối lượng, ký hiệu v, xác định biểu thức: 1.3.4 Nội năng: U [kJ], u [kJ/kg] - Nội toàn dạng lượng bên vật gồm: + Nội động năng(Uđ) + Nội (Ut) v= V G [m3/kg] (1.8) Đại lượng nghịch đảo thể tích riêng khối lượng riêng, ký hiệu ρ G ρ = = , [ kg / m ] (1.9) v V 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 21 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 1.3.5 Entanpi: I [kJ], i [kJ/kg] Entanpi định nghĩa biểu thức: I = U + pV i = u + pv (1.10) - Đối với khí lý tưởng, u pv phụ thuộc vào nhiệt độ i phụ thuộc vào nhiệt độ, entanpi (i) hàm số nhiệt độ i = f (T) - Đối với khí thực entanpi hàm phụ thuộc vào hai ba thông số trạng thái p, v, t - Entanpy khơng trực tiếp đo mà phải tính tốn Trong nhiệt động kỹ thuật ta cần biết lượng biến đổi entanpi ∆i 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 23 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 22 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 1.3.6 Entropi : S [kJ/K], s [kJ/kg.K] Entropy khơng đo trực tiếp mà phải tính tốn Trong nhiệt động entropy định nghĩa sau: ds = dq T (1.11) Độ biến đổi entropy không phụ thuộc vào đặc tính q trình thay đổi trạng thái chất khí mà phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối trình 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 24 5/7/2012 CHƯƠNG 1: KHÍ LÝ TƯỞNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.4 KHÍ LÝ TƯỞNG Khí lý tưởng khí lực tương tác phân tử khơng thể tích thân phân tử khơng 1.4.1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng: - Phương trình Clapeyron cho kg chất khí: pv = RT (1.12) - Phương trình trạng thái khí lý tưởng cho G kg pV = GRT (1.13) Ví dụ: 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 25 1.4.2 Phương trình trạng thái khí thực: Năm 1871 Vander Walls đưa phương trình trạng thái khí thực dựa phương trình trạng thái khí lý tưởng (p + a )(v − b) = RT v2 (1.18) Trong đó: b: đại lượng hiệu chỉnh có kể đế ́n thể tích thân phân tử, thể tích phân tử kg chất khí a/v²: hệ số hiệu chỉnh có kể đến lực tương tác phân tử Nếu chất khí có áp suất thấp nhiệt độ cao thể tích riêng v lớn nên trị số a/v² nhỏ giá trị (v-b) tiến tới v Như phương trình tiến tới phương trình trạng thái khí lý tưởng 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 26 1.5 HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG 1.5.1 Định luật Gibbs - Dalton Định luật Gibbs - Dalton Hỗn hợp khí lý tưởng hỗn hợp học chất khí thành phần khơng xảy phản ứng hóa học Định luật Amagat Thành phần hỗn hợp p = p1 + p + + p n = n ∑p i i =1 n U = U + U + + U n = ∑ U i (1.19a) i =1 Xác định đại lượng hỗn hợp p, pi: Áp suất hỗn hợp phân áp suất thành phần thứ i U, Ui: nội hỗn hợp nội thành phần thứ i 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 27 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 28 5/7/2012 1.5 HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG 1.5 HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG 1.5.2 Định luật Amagat - Định luật Amagat (như Hệ định luật Dalton): “Thể tích hỗn hợp tổng thể tích riêng phần thành phần” 1.5.1 Định luật Gibbs – Dalton n I = I + I + + I n = ∑ I i i =1 n V = V1 + V2 + + Vn = ∑ Vi (1.19b) n S = S1 + S + + S n = ∑ S i i =1 (1.19c) i =1 I, Ii: Entalpy hỗn hợp Entalpy thành phần thứ i S, Si: entropi hỗn hợp entropi thành phần thứ i 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 29 07/05/2012 1.5 HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG Gi G n G = G1 + G + + G n = ∑ Gi Nên ta có: 1.5.3 Thành phần hỗn hợp: Thành phần thể tích (ri): Là tỷ số thể tích riêng phần (còn gọi phân thể tích) chất khí thành phần so với thể tích hỗn hợp Vi V n n V V n ri = ∑ i = ∑Vi = = ∑ V V V i =1 i =1 i =1 (1.21) ri = i =1 gi = Gi n ∑ Gi n ⇒ ∑ gi = i =1 30 1.5 HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG 1.5.3 Thành phần hỗn hợp: Thành phần khối lượng (gi): Là tỷ số khối lượng chất khí thành phần với khối lượng hỗn hợp khí gi = Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG (1.22) (1.23) (1.24) i =1 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 31 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 32 5/7/2012 1.5 HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG 1.5 HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG 1.5.4 Xác định đại lượng hỗn hợp: Phân tử lượng hỗn hợp (µ µhh): µ hh = ∑ ri µi = g ∑ i 1.5.4 Xác định đại lượng hỗn hợp: Thể tích riêng khối lượng riêng hỗn hợp - Thể tích riêng hỗn hợp khí (v): (1.26) n µi v= Hằng số chất khí hỗn hợp khí (Rhh): Rhh = 8314 µ hh = 8314 n n gi i =1 µi = 8314 ∑ ∑ µ i ri 07/05/2012 8314 µ hh n (1.27a) (1.28) n n G ∑ Gi n ρ = = i =1 = ∑ Vi ρ i = ∑ ri ρ i i = i = V V V (1.29) (1.27b) = ∑ g i Ri i =1 Áp suất riêng phần (pi): Ta có: piV = phhVi Nên pi = riphh Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 33 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG (1.30) 34 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 1.6 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 1.6.1 CƠNG: Cơng hệ thống nhiệt động tạo lượng lượng qua bề mặt ranh giới có khả nâng cao vật Trong học, cơng xác định: Cơng Nhiệt lượng L = ∫ F dx Định luật nhiệt động thứ Nguyên nhân làm cho trạng thái chất mơi giới bị thay đổi cơng nhiệt lượng trao đổi chất môi giới môi trường 07/05/2012 n g V i =1 n G = = ∑ i = ∑ i G G G i =1 ρ i i =1 ρ i - Khối lượng riêng hỗn hợp khí (ρ) i =1 Rhh = ∑ Vi Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 35 Công thông số trạng thái, công đại lượng xuất chất môi giới tiến hành q trình Trong hệ SI, đơn vị cơng: N.m = J Nếu tính đơn vị thời gian: W, kW Quy ước dấu: Nếu hệ thống sinh cơng cơng có dấu dương, hệ thống nhận cơng cơng có dấu âm 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 36 5/7/2012 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 1.6.1 CƠNG: 1.6.1.1 Cơng giãn nở hay cơng nén hệ thống kín Dưới tác động áp suất chất môi giới, bề mặt ranh giới bị dịch chuyển: Nếu dịch chuyển bề mặt ranh giới làm tăng thể tích chất mơi giới gọi cơng giãn nở, ngược lại gọi cơng nén Có tên gọi chung cơng thay đổi thể tích: Ltt Xét hệ thống kín gồm piston có tiết diện A, bên chứa chất mơi giới có lực tác dụng p, tích V Lực tác động lên bề mặt piston p.A, làm piston di chuyển đoạn dx, công tạo nên hệ thống là: δLtt = p A.dx 1.6.1 CÔNG: 1.6.1.1 Cơng giãn nở hay cơng nén hệ thống kín Nếu thể tích chất mơi giới biến đổi từ V1 đến V2, thì: V2 Ltt = Cơng thay đổi thể tích khơng phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối mà phụ thuộc vào đặc điểm, hình dáng q trình Nếu khối lượng chất mơi giới hệ thống kín khảo sát kg thì: ltt = ∫ pdv δLtt = p.dV 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 37 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 38 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 1.6.1 CƠNG: 1.6.1.2 Cơng hệ thống hở Hệ thống nhiệt động hở hệ thống mà chất mơi giới vào khỏi hệ Khảo sát hệ thống nhiệt động hở Công trường hợp chia hai thành phần: ■ Công lưu động Llđ: thành phần công liên quan đến áp suất chất môi giới tác động lên bề mặt ranh giới đầu vào đầu hệ ■ Công kỹ thuật Lkt: bao gồm tất thành phần cơng lại: cơng có liên quan đến trục quay, công chuyển dịch bề mặt ranh giới, công hiệu ứng điện, từ ứng suất bề mặt, ● Đối với hệ thống hở bơm, quạt, máy nén, tuabine, thành phần Lkt phần cơng có liên quan đến trục quay hệ ● Các hệ thống hở khơng có trục quay (ống tăng tốc) Lkt = 07/05/2012 ∫ pdV V1 39 1.6.2 NHIỆT LƯỢNG Nhiệt lượng xuất chất mơi giới tiến hành q trình, nhiệt lượng lượng lượng xuyên qua bề mặt ranh giới chất mơi giới mơi trường có chênh lệch nhiệt độ Quy ước dấu: nhiệt lượng từ ngồi vào chất mơi giới nhiệt lượng có dấu dương ngược lại 1.6.2.1 Tính nhiệt lượng theo thay đổi entropi Nếu trình khảo sát có tính thuận nghịch: δq = T ds Khi trình hữu hạn từ đến 2: q = ∫ Tds ( kJ/kg) 07/05/2012 Chương 1: KHÍ LÝ TƯỞNG 40 10 11.1 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN 11.1.1 Đặc trưng chuyển động tự nhiên 11.1 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN 11.1.2 Toả nhiệt đối lưu không gian vô hạn ■ Đối với dây kim loại nhỏ, diện tích bề mặt toả nhiệt bé nên nhiệt lượng truyền nhỏ, đó: ► Trong điều kiện độ chênh lệch nhiệt độ tương đối lớn tồn chế độ chảy tầng ► Khi độ chênh lệch nhiệt độ nhỏ, xung quanh dây hình thành lớp mỏng khơng khí gần khơng chuyển động, chế độ gọi toả nhiệt trạng thái màng ■ Quá trình toả nhiệt đối lưu tự nhiên có giá trị thực dụng rât lớn, chẳng hạn sinh hoạt hàng ngày: nấu nước, sưởi ấm , kỹ thuật: làm nguội bề mặt ngồi lò hơi, làm mát cánh quạt tua bin khí, ■ Phương trình tiêu chuẩn trường hợp toả nhiệt đối lưu tự nhiên khơng gian vơ hạn có dạng: (11.11) Nu = f (Gr, Pr) Mikheyev chỉnh lý phương trình tiêu chuẩn sau: Nu = C (Gr Pr) nm = C.Ramn αl Nu = λ (11.12) tiêu chuẩn Nusselt Ra = (Gr.Pr) gọi tiêu chuẩn Rayleigh Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 11.1 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN 11.1.2 Toả nhiệt đối lưu không gian vơ hạn (11.13) ■ Đối với ống nằm ngang, kích thước xác định đường kính ống: l = D ■ Đối với ống đứng vách đặt đứng kích thước xác định chiều cao: l = H ■ Ký hiệu (m) phương trình (11.12) tiêu chuẩn chọn theo nhiệt độ tm Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 11.1 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN 11.1.2 Toả nhiệt đối lưu không gian vô hạn ■ Các đại lượng C, n phương trình (11.12) hệ số thực nghiệm Tùy thuộc vào giá trị (Gr.Pr)m mà C n có giá trị theo bảng (11.1): ■ Nhiệt độ xác định (tm) tm = 0,5(tf + tw) Các thông số vật lý công thức (11.12) chọn theo nhiệt độ tính tốn tm Trạng thái chuyển động (Gr.Pr)m Chảy màng Quá độ màng sang tầng Chảy tầng Chảy rối < 10 –3 10 -3 – 5.10² 5.10² – 2.107 2.107 – 1013 Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU C 0.5 1.18 0.54 0.135 n 1/8 1/4 1/3 11.1 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN 11.1.2 Toả nhiệt đối lưu không gian vô hạn ■ Đối với vật có hình dạng khác như: ► Hình trụ cụt đặt nằm đứng, ► Tấm phẳng hẹp đặt đứng, ► Tấm phẳng đặt nằm ngang, Khi kích thước tính tốn dùng kích thước tương đương sau: 1 + = L td L ng L dg 11.1 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN 11.1.2 Toả nhiệt đối lưu khơng gian vơ hạn ■ Do đó: ► Tấm hẹp, dài: chọn cạnh bé làm kích thước xác định ► Đối với phẳng đặt nằm ngang, kích thước tính tốn chọn theo chiều hẹp ■ Trị số C n chọn theo bảng 11.2: C n (11.14) Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 11.1 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN 11.1.2 Toả nhiệt đối lưu không gian vô hạn ■ Đối với chất lỏng chất khí, toả nhiệt đối lưu tự nhiên quanh ống ngang:  Pr f   Nu f = 0,5.Gr f1 / Pr 1f /   Prw  1/ (11.15) ■ Đối với khơng khí (11.15) có dạng đơn giản hơn: Nu f = 0,46.Gr f1 / Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU (11.16) 11 Ra Bề mặt nóng hướng lên Bề mặt nóng hướng xuống < 0,001 0,65 0,35 0,001 ÷ 500 1,53 0,83 1/8 500 ÷ x 107 0,70 0,38 1/4 107 ÷ 1013 0,176 0,095 1/3 2x Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 10 11.1 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN 11.1.3 Toả nhiệt đối lưu không gian hữu hạn ■ Khi đối lưu tự nhiên phát sinh khơng gian nhỏ, kín khe hẹp chuyển động chất lỏng (khí) phức tạp (hình 11.5) phụ thuộc vào vị rí tương hổ độ chênh lệch nhiệt độ hai bề mặt, hình dạng, kích thước khơng gian Hình11.5: Tính chất chảy vòng tự nhiên 12 chất lỏng khơng gian hẹp vật kín Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 11.1 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN 11.1.3 Toả nhiệt đối lưu không gian hữu hạn 11.1 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN 11.1.3 Toả nhiệt đối lưu không gian hữu hạn ■ Xem trình trao đổi nhiệt phức tạp tượng nhiệt mà dẫn nhiệt qua lớp chất lỏng với hệ số dẫn nhiệt tương đương tính theo cơng thức sau: λ (11.17) q = td ( t w1 _ t w ) δ Trong điều kiện, lượng nhiệt truyền qua đơn dẫn nhiệt, thì: λ q λ = ( t w1 _ t w ) (11.18) δ ■ Do đó: ■ Suy ra: λ td (t _ t ) λ q δ w1 w td = = ε td = λ λ qλ _ ( t w1 t w ) δ Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU (11.19) λ td (11.20) ε td = f (Gr Pr) f = Nu ' λ Trong phương trình (11.20) chọn: ► Chiều dày khe hẹp δ làm kích xác định ► Nhiệt độ trung bình chất lỏng: tf = 0,5(tw1 + tw2) làm nhiệt độ xác định ■ Khi (Gr.Pr)f 10 thay cơng thức (11.21) (11.22) bằng: 0, 25 (11.23) ε td = 0,18(Gr Pr) f 13 11.2 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU KHI CHẤT LỎNG CHUYỂN ĐỘNG CƯỠNG BỨC 11.2.1 Đặc trưng chuyển động ống Chảy tầng chảy rối ■ Chuyển động chất lỏng ống rãnh phân làm hai chế độ bản: chảy tầng chảy rối ■ Khi tốc độ nhỏ, chất lỏng chảy tầng ■ Khi tốc độ lớn chất lỏng chảy rối, ■ Tốc độ của điểm phân giới chuyển chuyển từ chảy tầng sang chảy rối gọi tốc độ tới hạn Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 15 14 11.2.1 Đặc trưng chuyển động ống Chảy tầng chảy rối ■ Tiêu chuẩn Reynolds định chế độ chuyển động chất lỏng ■ Dùng trị số Re để phân biệt điểm tới hạn, trị số Reynolds tới hạn (Re tới hạn = 2200) ■ Khi Re < 2200 chất lỏng chảy tầng ■ Khi Re > 2200 chất lỏng chảy rối Hình 11.6: Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU (11.21) a) Sự phân bố tốc độ chất lỏng chảy tầng, Re < Rettb b) Sự phân bố tốc độ chất lỏng chảy rối, Re > Rettb Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 16 11.2.1 Đặc trưng chuyển động ống Chảy tầng chảy rối 11.2.1 Đặc trưng chuyển động ống Tính chất chuyển động chất lỏng mặt cắt chỗ vào ■ Tốc độ trung bình mặt cắt tỷ số lưu lượng thể tích diện tích mặt cắt mà chất lỏng chuyển động qua ■ Xét chất lỏng chuyển động từ không gian lớn vào ống tròn ■ Tại mặt cắt chỗ vào, tốc độ khơng thay đổi ■ Sau vào ống tác dụng ma sát chất lỏng bề mặt, tốc độ chất lỏng gần sát vách giảm dần xuống, lưu lượng chất khơng thay đổi, tốc độ phần mặt cắt tăng dần lên ϖ= V ωdf = ∫ f f (11.24) ■ ω - tốc độ trung bình chất lỏng mặt cắt, [m/s] ■ V – lưu lượng thể tích chất lỏng qua mặt cắt, [m3/s] ■ f - diện tích mặt cắt, [m2] l = 2,2 d l = 17,4 d l = 25,9 d l = 50,9 d Hình: 11.7: Sự phân bố tốc độ chất lỏng chuyển động từ không gian rộng vào ống Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 17 Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 18 11.2.2 Tỏa nhiệt chảy rối (Re > 104) 11.2.1 Đặc trưng chuyển động ống Tính chất trường nhiệt độ mặt cắt chỗ vào Ảnh hưởng toả nhiệt đối lưu tự nhiên đến phân bố tốc độ ■ Khi chảy rối, truyền lượng phần tử chất lỏng hỗn hợp thân chất lỏng ■ Trong chế độ chảy rối mãnh liệt Re > 104, q trình xáo trộn mạnh, làm cho nhiệt độ lõi chảy rối không thay đổi ■ Trên mặt cắt ngang, phân bố nhiệt độ không gây nên chuyển động tự nhiên bỏ qua Phương trình tiêu chuẩn tìm trường hợp có dạng: (11.26) Nu = f(Re, Pr) ■ Xét đến việc chọn nhiệt độ xác định loại trừ ảnh hưởng phương hướng dòng nhiệt, phương trình hiệu chỉnh thành:  Pr f   Nu f = f (Re f Pr f )  Prw  Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 19 , 25 Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU (11.27) 20 11.2.2 Tỏa nhiệt chảy rối (Re > 104) 11.2.2 Tỏa nhiệt chảy rối (Re > 104) ■ Mikheyev tìm phương trình tiêu chuẩn sau: ■ Mikheyev tìm phương trình tiêu chuẩn sau:  Pr f   Nu f = 0,021(Re 0f ,80 Pr 0f , 43 )  Prw  , 25 ε l ε R  Pr f   Nu f = 0,021(Re 0f ,80 Pr 0f , 43 )  Prw  (11.28) - Nhiệt độ xác định: nhiệt độ trung bình chất lỏng tf - Prf – tiêu chuẩn Pr chọn theo nhiệt độ trung bình chất lỏng tf - Prw – tiêu chuẩn Pr chọn theo nhiệt độ vách ống tw 4F - Kích thước xác định tính theo đường kính tương đương: d tđ = = U - F- diện tích tiết diện ngang dòng chất lỏng [m²] - U – chu vi ướt [m] - εl - trị số hiệu chỉnh ảnh hưởng đoạn đầu ống, phụ thuộc vào trị số Re l/d (εl = f(Re, l/d)) - l, d chiều dài đường kính ống [m] Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 21 0, 25 ε l ε R (11.28) + Nếu l/d > 50 εl = + Nếu l/d < 50 εl tra bảng 11.3 Ref l/d 10 15 20 30 40 50 1÷104 1,65 1,50 1,34 1,23 1,17 1,13 1,07 1,03 2÷104 1,51 1,40 1,27 1,18 1,13 1,10 1,05 1,02 5÷104 1,34 1,27 1,18 1,13 1,10 1,08 1,04 1,02 1÷105 1,28 1,22 1,15 1,10 1,08 1,06 1,03 1,02 1÷106 1,14 1,11 1,08Chương 1,05 11: TỎA1,04 NHIỆT ĐỐI1,03 1,02 1,01 22 LƯU 11.2.2 Tỏa nhiệt chảy rối (Re > 104) 11.2.3 Tỏa nhiệt chảy tầng (Re < 104) ■ Mikheyev tìm phương trình tiêu chuẩn sau: ■ Khi chảy tầng, theo hướng bán kính chất lỏng khơng có tác dụng hỗn hợp nhiệt trở lớn khiến cho hệ số toả nhiệt có trị số nhỏ chảy rối nhiều ■ Phương trình chuẩn có dạng sau: (11.31) Nu = f(Re, Pr, Gr)  Pr f   Nu f = 0,021(Re 0f ,80 Pr 0f , 43 )  Prw  0, 25 ε l ε R (11.28) Thực nghiệm với nước khơng khí lập nên quan hệ sau: ε R = + 1,77 d R ■ Xét đến việc chọn nhiệt độ xác định ảnh hưởng phương hướng dòng nhiệt, phương trình chuyển thành: (11.29)  Pr f   Nu f = f (Re f , Gr f , Pr f )  Prw  R- bán kính cong ống xoắn, [m] d - đường kính ống, [m] ■ Đối với khơng khí Pr ≈ const, dùng công thức đơn giản sau: 0,80 (11.30) Nu f = 0,018Ref Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 23 0, 25 (11.32) ■ Với nhiều chất lỏng khác ống có kích thước hình dạng khác nhau:  Pr f   Nu f = 0.15 Re 0f.33 Pr f0.43 Gr f0.1   Prw  Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 0, 25 ε l (11.33) 24 11.2.3 Tỏa nhiệt chảy tầng (Re < 104)  Pr f   Nu f = 0.15 Re 0f.33 Pr 0f 43 Gr f0.1   Prw  11.2.4 Tỏa nhiệt trạng thái độ (2200 < Re < 104) ■ Phương trình chuẩn có dạng sau: 0, 25 ε l (11.33)  Pr f  .ε l Nu = Kο Pr 0, 43   Prw  + Nếu l/d > 50 εl = + Nếu l/d < 50 εl tra bảng 11.4 l/d εl 1.9 (11.35) ■ Trị số Ko = f(Ref) tra bảng 11.5 10 15 20 30 40 ≥ 50 1.7 1.44 1.28 1.18 1.13 1.05 1.02 Ref 103 2,2 2,3 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10 Trong trường hợp toả nhiệt loại dầu có độ nhớt cao chuyển động ống, tác dụng đối lưu tự nhiên bị ức chế gần chảy tầng hồn tồn (khơng bị nhiễu loạn), lúc tiêu chuẩn Gr (11.33) bỏ qua K0 1,9 3,2 4,0 6,8 9,5 11 16 19 24 27 30 33 εl - chọn theo trường hợp chảy tầng Đối với khơng khí phương trình tiêu chuẩn có dạng đơn giản sau: Nu f = 0,13 Re 0f ,33 Gr f0,1ε l Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU (11.34) 25 11.3 TỎA NHIỆT KHI CHẤT LỎNG CHẢY NGANG QUA TẤM PHẲNG (TỰ HỌC) Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 26 11.4 TỎA NHIỆT KHI CHUYỂN ĐỘNG NGANG QUA ỐNG ĐƠN ■ Dòng chất lỏng chuyển động ngang qua ống tròn : a) b) a) Chất lỏng chảy khơng tách khỏi hình trụ b) Sự tách ly lớp biên Re = ωο d ống trụ tròn nằm ngang trở thành vật chướng ngại Re > 103 xốy bắt đầu tách khỏi ống dòng mang theo, tạo thành vết xoáy sau ống Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 27 Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 28 11.4 TỎA NHIỆT KHI CHUYỂN ĐỘNG NGANG QUA ỐNG ĐƠN ■ Sự tách ly xoáy khỏi lớp biên kết tăng áp dọc theo dòng hãm chất lỏng tường cứng Sự tách ly dòng tạo xốy tính chất đặc biệt dòng chảy ngang qua ống ■ Điểm tách ly phụ thuộc vào tính chất lớp biên chảy tầng hay chảy rối qua vùng tách ly +Khi trị số Re bé mức độ rối nhỏ, mặt ống có dòng tách ly lớp biên chảy tầng (trong trường hợp góc tách ly φ = 82 – 84°) + Khi trị số Re tăng, lớp biên chảy rối tách ly khỏi bề mặt φ = 120 – 140° 11.4 TỎA NHIỆT KHI CHUYỂN ĐỘNG NGANG QUA ỐNG ĐƠN ■ Hệ số toả nhiệt cục αφ thay đổi dọc theo chu vi ống (Hình 11.12) Khi φ = αφ = αφmax, số αφ giảm dần φ tăng lên, Khi φ = 82° αφ = αφmin sau αφ lại tăng lên ■ Nếu trị số Re tương đối lớn αφ=180° > αφ=0°, ■ Nếu trị số Re bé ngược lại Hình 11.13: Ảnh hưởng góc va tỏa nhiệt Hình 11.12: Sự thay đổi hệ số tỏa nhiệt dọc theo chu vi ống Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 29 11.4 TỎA NHIỆT KHI CHUYỂN ĐỘNG NGANG QUA ỐNG ĐƠN ■ Trong điều kiện góc va 90° bỏ qua nhiễu loạn nhân tạo, nhà khoa học tìm công thức thực nghiệm sau:    - Khi Re = 10 – 103:  Pr f Nu f = 0,56 Re 0f ,5 Pr 0f ,36   Prw - Khi Re = 103 – 2.105:  Pr f Nu f = 0,28 Re 0f , Pr 0f , 36   Prw 0, 25    (11.43) Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 30 11.4 TỎA NHIỆT KHI CHUYỂN ĐỘNG NGANG QUA ỐNG ĐƠN ■ Trong công thức trên: + Nhiệt độ xác định nhiệt độ trung bình chất lỏng tf, + Kích thước xác định kích thước ngồi ống d ■ Nếu góc va khơng phải 90°, dùng cơng thức phải nhân thêm với hệ số hiệu chỉnh εψ , 25 (11.44) εψ = αψ (11.47) α 90 ■ Đối với khơng khí, cơng thức đơn giản hơn: - Khi Re = 10 – 103: - Khi Re = 103 – 2.105: 0,5 Nu f = 0,44 Re f 0,6 Nu f = 0,22 Re f Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU (11.45) (11.46) 31 Hệ số εψ tra đồ thị Hình 11.13, tra theo bảng 11.6 Bảng 11.6 ψ 90 80 εψ 1 70 60 50 40 30 20 10 0,98 0,94 0,88 0,78 0,67 0,52 0,42 Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 32 11.5 TỎA NHIỆT KHI CHUYỂN ĐỘNG NGANG QUA CHÙM ỐNG ■ Trên thực tế gặp thiết bị trao đổi nhiệt chế tạo có ống mà thường tổ hợp nhiều ống (chùm ống) Các loại thường bố trí hai cách là: bố trí song song bố trí so le ■ Đặc tính chùm ống đặc trưng bước ngang S1 (khoảng cách trục ống theo hướng ngang dòng chất lỏng), bước dọc S2 (khoảng cách trục ống theo hướng dòng chuyển động), đường kính ngồi d số dãy ống theo hướng dòng chất lỏng chuyển động (Hình 11.14) 11.5 TỎA NHIỆT KHI CHUYỂN ĐỘNG NGANG QUA CHÙM ỐNG ■ Trong tính tốn thiết bị thường sử dụng cơng thức sau: * Đối với chùm ống song song: - Khi Ref < 103:  Pr f   Nu f = 0,56 Re 0f ,5 Pr f0 ,36   Prw  103:  Pr f   Nu f = 0,22 Re 0f ,65 Pr f0,36   Prw  - Khi Ref > , 25 ε i εψ (11.48) ε iεψ (11.49) , 25 Đối với hàng ống thứ nhất: Đối với hàng ống thứ hai: Từ hàng thứ ba sau: εi = 0,6 εi = 0,9 εi = Hình 11.14: Cách bố trí ống Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 33 11.5 TỎA NHIỆT KHI CHUYỂN ĐỘNG NGANG QUA CHÙM ỐNG ■ Trong tính tốn thiết bị thường sử dụng cơng thức sau: * Đối với chùm ống so le:  Pr f   Nu f = 0,56 Re 0f ,5 Pr 0f ,36   Prw  , 25 103:  Pr f   Nu f = 0,4 Re 0f ,6 Pr f0 ,36   Prw  , 25 - Khi Ref > 103: - Khi Ref < Đối với hàng ống thứ nhất: Đối với hàng ống thứ hai: Từ hàng thứ ba sau: ε i εψ (11.50) ε i εψ (11.51) Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 34 11.5 TỎA NHIỆT KHI CHUYỂN ĐỘNG NGANG QUA CHÙM ỐNG ■ Trong tính tốn thiết bị thường sử dụng công thức sau: - Các công thức sử dụng cho chùm ống tròn với tất loại chất lỏng (trừ kim loại lỏng) - Tốc độ dòng khí sử dụng tính trị số Ref tốc độ qua chỗ hẹp chùm ống ■ Trong tính tốn thực tế, cần biết hệ số tỏa nhiệt trung bình tồn chùm ống , muốn phải biết hệ số tỏa nhiệt trung bình hàng: n εi = 0,6 εi = 0,9 εi = α = ∑α F i i i =1 n ∑F (11.52) i i =1 α i- hệ số tỏa nhiệt trung bình hàng ống thứ i Fi - tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt hang ống thứ i n - số hàng ống có chùm tính theo chiều dòng chảy Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 35 Chương 11: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU 36 Ví dụ: Chiều dày vách lò δ1 = 20mm, hệ số dẫn nhiệt vật liệu λ1 = 50W/m.độ, bên vách phủ lớp cáu nước dày δ2 = 2mm, hệ số dẫn nhiệt λ2 = 1,0W/m.độ Biết nhiệt độ bề mặt t1 = 250oC bề mặt t3 = 200oC Xác định: Nhiệt trở tồn phần Tính mật độ dòng nhiệt q Nhiệt độ tiếp xúc Giải: Đây trường hợp vách phẳng có hai lớp Nhiệt trở tồn phần: i=n δ δ δ δ R = R1 + R2 + + Rn = + + + n = ∑ i λ1 λ2 λn i =1 λi R= δ δ 20.10 −3 2.10 −3 + = + = 0,0024 m đô / W 50 λ1 λ2 Mật độ dòng nhiệt: q= t w1 − tw3 δ1 δ + λ1 λ2 = q = t w1 − t w3 = 250 − 200 = 20800 W / m δ1 δ 0,0024 + λ1 λ2 Nhiệt độ tiếp xúc bề mặt: t w = t w1 − q CHƯƠNG 10: DẪN NHIỆT 33 20.10 −3 δ1 = 250 − 20800 = 241,7 50 λ1 CHƯƠNG 10: DẪN NHIỆT o C 34 Ví dụ 2: Ví dụ`3: Một ống dẫn làm thép đường kính d1/d2 = 100/110 mm, hệ số dẫn nhiệt λ1 = 45 W/m.độ, ống bọc hai lớp vật liệu cách nhiệt có chiều dày δ1 = 50 mm δ2 = 40 mm Nhiệt độ bề mặt ống t1 = 300°C nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt thứ hai t4 = 45°C, hệ số cách nhiệt lớp bọc là: λ2 = 0,08 W/m.độ λ3 = 0,1 W/m.độ Xác định: Tổn thất nhiệt qua mét ống Nhiệt độ bề mặt tiếp xúc lớp cách nhiệt Nếu đổi vị trí hai lớp cách nhiệt cho giữ điều kiện nhiệt độ bề mặt bề mặt ngồi khơng thay đổi tổn thất nhiệt m đường ống bao nhiêu? Nước nóng chuyển động ống đứng để trần, tính tổn thất nhiệt tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên gây nên Biết đường kính ống d = 500mm, chiều cao ống h = 3m, nhiệt độ bề mặt ống tw = 90oC, nhiệt độ khơng khí xung quanh tf = 10oC CHƯƠNG 10: DẪN NHIỆT CHƯƠNG 10: DẪN NHIỆT 35 36 A CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỨC XẠ 12.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT ■ Một vật nhiệt độ (lớn 0K) ln có biến đổi nội vật lượng sóng điện từ, sóng truyền không gian theo phương với vận tốc ánh sáng có chiều dài bước sóng λ = ÷ ∞ CHƯƠNG 12 Dạng xạ BỨC XẠ NHIỆT CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT Chiều dài bước sóng Tia vũ trụ Tia Gama Tia Rơnghen Tia tử ngoại Tia sáng Tia hồng ngoại Sóng vơ tuyến điện A CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỨC XẠ 12.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT ■ Những tia có bc súng khong = 0,4 ữ 40 àm có hiệu ứng nhiệt tương đối cao, tia gọi tia nhiệt Q trình phát sinh truyền tia gọi trình xạ nhiệt ■ Khi xạ, nhiệt (nội năng) vật biến thành lượng sóng điện từ truyền không gian với vận tốc ánh sáng, gặp vật khác phần (hoặc tồn bộ) lượng bị hấp thu biến thành nhiệt ■ Năng lượng hấp thu phần lại phát trở lại dạng lượng sóng điện từ trình tiếp tục ■ Các vật hệ có nhiệt độ khác vật có nhiệt độ cao truyền lượng cho vật có nhiệt độ thấp ■ Nếu nhiệt độ vật cao (trong trường hợp có hiệu nhiệt độ) lượng nhiệt trao đổi xạ lớn ■ Trao đổi nhiệt xạ không cân tiếp xúc trực tiếp tiến hành vật chân khơng CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT 0,05.10- àm (0,5 ữ 1,0).10- àm 10- ữ 20.10-3 àm 20.10-3 ữ 0,4 àm 0,4 ữ 0,8 àm 0,8 ữ 400 àm 0,2 mm ữ X km CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT 12.2 CÁC ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ NHIỆT ■ Dòng xạ toàn phần Q [W]: lượng xạ phát bề mặt F vật đơn vị thời gian tồn khơng gian bán cầu ứng với tất bước sóng từ đến ∞ ■ Dòng xạ đơn sắc Qλ [W]: dòng xạ xét với dải hẹp khoảng bước sóng từ λ đến (λ + dλ) ■ Khả xạ bán cầu (mật độ xạ bán cầu) vật E [W/m²]: dòng xạ tồn phần đơn vị diện tích E= dQ dF [W/m²] (12.1) dQ - dòng xạ tồn phần (dòng xạ bán cầu) phát từ bề mặt nhân tố dF [W] Q = ∫ EdF (12.2) F Nếu tồn bề mặt có mật độ xạ đồng khơng thay đổi thì: [W] (12.3) Q = EF CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT 12.2 CÁC ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ NHIỆT 12.2 CÁC ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ NHIỆT ■ Cường độ xạ đơn sắc Eλ [W/m3]: mật độ xạ bán cầu ứng với dải hẹp chiều dài bước sóng: dF Eλ = dλ [W/m3] (12.4) Qο = QA + QR + QD (12.5) QA QR QD + + = A +R +D =1 Qο Qο Qο (12.6) Q0 ■ Trong đó: ■ Bức xạ vật phát sinh thay đổi trạng thái lượng vật gọi xạ thân vật Trạng thái phụ thuộc vào Q0 chất vật lý nhiệt độ vật n Q A = A - hệ số hấp thu vật Qο ■ Xét dòng lượng xạ từ QR bên chiếu đến vật khảo sát Q0, bị hấp thu phần QA QA để biến thành nhiệt, phần QD bị vật phản xạ lại QR, phần xuyên qua vật QD Hình 12.1: Sơ đồ phân bố dòng xạ R= QR Qο D= QD - hệ số xuyên qua vật Qο CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT n QR - hệ số phản xạ vật QA QD Hình 12.1: Sơ đồ phân bố dòng xạ CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT 12.2 CÁC ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ NHIỆT 12.2 CÁC ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ NHIỆT ► Các hệ số A, R, D thứ nguyên biến đổi từ đến 1, trị số chúng phụ thuộc vào chất vật lý vật, nhiệt độ chiều dài bước sóng mà vật phát ■ Nếu A = (D = R = 0): vật có khả hấp thu toàn lượng xạ chiếu tới gọi vật đen tuyệt đối ■ Nếu R = (A = D = 0): vật phản xạ toàn lượng xạ tới gọi vật trắng tuyệt đối (vật gương) ■ Nếu D = (A = R = 0): vật cho xuyên qua toàn lượng xạ tới gọi vật suốt tuyệt đối ► Trong thiên nhiên khơng có vật đen tuyệt đôi, trắng tuyệt đối tuyệt đối ► Khơng khí coi D = ► Đối với vật rắn thường gặp kỹ thuật coi: D = A + R = 1: gọi vật đục ► Giả sử có vật đục (Hình 12.2): T1 A1 ■ Bản thân vật phát lượng xạ gọi E1 (bức xạ thân), E1{ E1 Ehd1 ■ Năng lượng xạ từ vật (1- A1 )Et xung quanh chiếu lên Et (bức xạ q1 = E1 – A1Et tới), lượng bị hấp thu phần Et A1Et A1Et, ■ Phần lại (1 – A1)Et bị phản xạ trở lại Hình 12.2: Sơ đồ nguyên lý ► Năng lượng xạ thực tế chiếu thành phần xạ từ bề mặt xét Ehd = E1 + (1 – A1)Et (12.7) ► Năng lượng xạ mà vật trao đổi thực với môi trường xung quanh CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT { { q1 = E1 – A1Et = Ekq (12.8) 12 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ NHIỆT 12 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ NHIỆT Trong tất tính toán nhiệt xạ, người ta thường chọn vật đen tuyệt đối làm vật sở để thiết lập định luật phương trình tính tốn 12.3.1 Định luật Plank 12.3.1 Định luật Plank Năm 1902, Plank thiêt lập mối quan hệ khả xạ đơn sắc vật đen tuyệt nhiệt độ chiều dài bước sóng: E 0λ = đây: C1λ−5 e C2 / λT − (12.9) C1 C2 - số Plank thứ thứ hai C1 = 0,374.10-15 [W.m2] C2=1,44.10-2 [m.K] λ - chiều dài bước sóng, [m] T - nhiệtđộ tuyệt đối, [K] Chỉ số ‘0’ biểu thị vật khảo sát vật đen tuyệt đối CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT ► Nhiệt độ cao khả xạ mạnh, khoảng nhiệt độ thường gặp kỹ thuật, lượng xạ chủ yếu tập trung dải bước sóng: λ = 0,8 – 10 µm ► Nhiệt độ tăng giá trị cực đại λm quang phổ dịch phía bước sóng ngắn, quan T λm xác định định luật Vien: [m.K] (12.10) λm.T = 2,9 λm - chiều dài bước sóng [m] tương ứng với khả xạ đơn sắc cực đại nhiệt độ T [K] CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT 10 12 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ NHIỆT 12 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ NHIỆT 12 3.2 Định luật Stefan - Boltzmann 12 3.2 Định luật Stefan - Boltzmann ► Quan hệ khả xạ bán cầu vật đen tuyệt đối phụ thuộc vào nhiệt độ: ► Đối với vật xám, nhiệt lượng xạ nó: ∞ Eο = ∫ Eολ dλ (12.11)  T  E = C.   100  [W/m²] (12.14) Eο = σ οT [W/m²] C - hệ số xạ vật xám < C < C0 (12.12) Khi so sánh khả xạ vật xám vật đen tuyệt đối điều kiện nhiệt độ nhau, ta dùng độ đen vật ε: E C ε= = (12.15) E0 C0 σ0 = 5,67.10-8 [W/m² K4]- số xạ vật đen tuyệt đối Trong kỹ thuật, để tiện tính tốn ta dùng cơng thức sau:  T  (12.13) E0 = C0   [W/m²]  100  Co = 5,67 [W/m² K4] - gọi hệ số xạ vật đen tuyệt đối CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT (0 < ε T2 chúng không thay đổi theo thời gian ■ Năng lượng trao đổi nhiệt xạ hai Q12 = Q1hd – Q2hd (12.44) (12.45) Cο 1 + ε1 ε2  T1   T2    −   (12.46)  _  100   100   1 CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT CO2 λ2(µ) 3,02 4,80 16,5 ∆λ 0,66 0,79 4,0 λ1(µ) 2,34 4,8 12,0 H2 O λ2(µ) 3,27 8,5 25,0 ∆λ 1,03 3,7 13,0 CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT 14 12 TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ GIỮA TẤM PHẲNG ĐẶT SONG SONG ε 12 = ε1 + 1 ε2 độ đen hệ thì: −1  T   T   q12 = ε 12 Cο   −     100   100   q12 =  T1   T2   Cο  −     1   1   100   100    −  +  −   ε1   ε 2  (12.47) (12.48) 1 1  −  gọi nhiệt trở xạ bề mặt phẳng ε 2 Chứng minh, ta được: q12 = λ1(µ) 2,36 4,01 12,5 13 B TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ GIỮA CÁC VẬT RẮN ĐẶT TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG SUỐT q12 = E1hd – E2hd Bảng 12.1: Dải quang phổ xạ hấp thu nước khí CO2 Hình 12.8: 15 CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT 16 12 TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ GIỮA TẤM PHẲNG ĐẶT SONG SONG 12.6 TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ GIỮA VẬT BỌC NHAU ■ Ta xây dựng sơ đồ mạng nhiệt trở xạ hai phẳng song song sau: ■ Xét hai vật bọc (hình 12.10), vật lồi bị bao bọc vật khác Gọi nhiệt độ, diện tích hệ số hấp thu cho bề mặt thứ thứ hai là: T1, F1, A1; T2, F2, A2 Ta cần tính nhiệt lượng trao đổi xạ hai vật Vì trường hợp F1 ≠ F2 nên khơng thể tìm q12 mà phải tìm dòng xạ Q12 ■ Năng lượng trao đổi nhiệt xạ hai vật bọc là: Q12 = R1 = ε1 _ R2 = ε2 _ φ 21 = Hình 12.9: Sơ đồ mạng nhiệt trở xạ hai phẳng đặt song song   T1  T    − ϕ 21 F2     F1      100   100   + ϕ 21  − 1  A1  A2  C0 (12.49) F1 hệ số chiếu xạ vật vật F2 (12.49’) CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT 17 CHƯƠNG 12: BỨC XẠ NHIỆT 18 Hình 12.10: Bức xạ hai vật bọc 12.6 TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ GIỮA VẬT BỌC NHAU 12.6 TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ GIỮA VẬT BỌC NHAU ■ Năng lượng trao đổi nhiệt xạ hai vật bọc là:  T1   T2   C F1 Q12 =    −    100  F1  1  100    + − 1 A1 F2  A2  ■ Các trường hợp đặc biệt: C12 = Khi F1