P ISSN 1859 3585 E ISSN 2615 9619 SCIENCE TECHNOLOGY Website https //tapchikhcn haui edu vn Vol 57 No 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 123 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN BỨC XẠ NHIỆT MẶT TRỜI QU[.]
SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN BỨC XẠ NHIỆT MẶT TRỜI QUA LỚP KÍNH BẰNG MƠ HÌNH TƯƠNG TỰ NHIỆT ĐIỆN DETERMINATING OF SOLAR RADIATION THROUGH GLASS LAYER BY RESISTIVE NETWORK MODEL Nguyễn Đăng Khoát TĨM TẮT Bài báo trình bày phương pháp xác định dịng nhiệt xạ mặt trời qua lớp kính sở mơ hình tương tự nhiệt điện Kết nghiên cứu cho phép tính tốn tổn thất nhiệt không gian làm lạnh xạ từ mơi trường bên ngồi Từ làm sở lựa chọn lớp vật liệu kính kết cấu xây dựng, thiết bị công nghiệp để giảm tổn thất nhiệt xạ gây Từ khóa: Bức xạ mặt trời, tổn thất nhiệt, mơ hình tương tự nhiệt điện ABSTRACT The paper presents a method to determine solar radiation heat flow through the glass layer by resistive network model The results of the study allow to calculate the heat loss in the room due to radiation from the outside There as a basis for selecting glass materials in construction structures, industrial equipments to reduce heat loss caused radiation GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 2.1 Cơ sở toán học mơ hình tính tốn Cơng trình nghiên cứu sử dụng mơ hình điện thay cho mơ hình nhiệt để giải vấn đề trao đổi nhiệt xạ Oppenheim [7] đề cập năm 1956 Từ đến có hàng loạt mơ hình tính tốn q trình truyền nhiệt thiết bị dựa phương pháp này, tìm thấy [5, 6, 8, 9, 10] Theo phương pháp này, trình truyền nhiệt thành phần tham gia trao đổi nhiệt biểu diễn qua sơ đồ mạch điện với nhiệt trở thay điện trở Keywords: Solar radiation, heat loss, resistive network model Trường Đại học Giao thông Vận tải Email: ndkhoat1979@gmail.com Ngày nhận bài: 28/4/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 30/5/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/6/2021 ĐẶT VẤN ĐỀ Mặt trời xem cầu lửa khổng lồ với đường kính trung bình 1,392.106km nhiệt độ bề mặt sấp xỉ 6000K [1] Năng lượng xạ mặt trời nguồn gốc sống trái đất nguồn lượng vô tận Người ta sử dụng nguồn lượng vào nhiều mục đích khác phục vụ cho sống sưởi ấm, phát điện, đun nước nóng, Bên cạnh nguồn lượng vơ tận khả ứng dụng lượng xạ mặt trời nguyên nhân gây tổn thất nhiệt khơng gian cần trì nhiệt độ thấp kho lạnh bảo quản, không gian điều hịa khơng khí, Dưới tác dụng tia xạ mặt trời, dòng xạ nhiệt truyền vào phòng cách truyền trực tiếp qua lớp kính ứng với hệ số xuyên qua kính truyền vào phịng bề mặt ngồi kính hấp thụ nhiệt truyền vào phòng Dòng nhiệt tổn thất xạ mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thời điểm ngày năm, mức độ nhiễm bụi mây, hướng bề mặt nhận xạ, Trong Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn tính tốn thiết kế kho lạnh, điều hịa khơng khí có nhiều cơng thức tính tốn gần lượng nhiệt tổn thất trình bày kỹ tài liệu chuyên ngành [2, 3] Tuy nhiên, công thức tính tốn kể chưa thể rõ chế tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt truyền xạ qua lớp kính theo hình thức hấp thụ xuyên qua Xác định rõ chế truyền nhiệt sở để tính tốn thiết kế, lựa chọn vật liệu kết cấu xây dựng, thiết bị nhiệt công nghiệp nhằm giảm tổn thất nhiệt không gian Trong báo này, phương pháp xác định lượng nhiệt xạ mặt trời qua lớp kính vào phịng sở mơ hình tương tự nhiệt điện đề cập Năng suất xạ hiệu dụng bề mặt (i) xác định [4]: Ji Ei 1 εi E t,i (1) Trong đó: Ei - Năng suất xạ bề mặt (i), W/m2 Et,i - Mật độ dòng xạ tới bề mặt (i), W/m2 i - Độ đen bề mặt (i) Dòng xạ hiệu bề mặt (i) xác định theo công thức: Qi Fi qi Fi Ji E t ,i (2) Kết hợp (1) (2) thu được: Qi Fi εi σ o Ti4 Ji 1 εi (3) Nếu môi trường xạ bao gồm (n) bề mặt, bề mặt (j) phát dòng xạ hiệu dụng (Fj Jj) dòng xạ Vol 57 - No (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 123 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 phát từ (j) giáng xuống (i) (Fj Jj ij) tổng lượng xạ tới bề mặt (i) xác định sau: n Fi E t ,i Fi φij J j (4) j 1 Thay (4) vào (2) biến đổi, thu cơng thức tính dịng xạ hiệu theo xạ hiệu dụng sau: n Qi Fi φij Ji J j j 1 (5) Ở đây, ij hệ số góc xạ từ bề mặt (i) đến bề mặt (j) Sự tương tự mơ hình nhiệt mơ hình điện thể thơng qua phương trình xác định dịng nhiệt xạ phương trình định luật Ohm Do đó, cơng thức (3) (5) viết dạng sau: Qi Qi σo Ti4 Ji εi Fi εi n Ji J j j1 Fi φij 2.2 Xây dựng mơ hình kết nghiên cứu 2.2.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình Để xây dựng mơ hình tính tốn, cần có giả thiết sau: - Coi xạ trời xạ trực xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ hệ số xuyên qua không thay đổi theo góc tới tia trực xạ - Bỏ qua ảnh hưởng trao đổi nhiệt đối lưu bề mặt kính với khơng gian bên ngồi bên phịng 2.2.2 Mơ hình tính tốn kết nghiên cứu Mặt trời xạ lượng qua lớp kính vào không gian làm lạnh khiến cho nhiệt độ bên phòng tăng lên, gây tổn thất nhiệt không gian (6) (7) Công thức (6) (7) thể qua sơ đồ mạch điện thay trình bày hình [4] Hình Sơ đồ mạch điện phương pháp tương tự nhiệt - điện Các điểm nút hay dịch chuyển sơ đồ mạch điện suất xạ (Ei) mật độ dòng xạ hiệu dụng (Ji) Phương trình tính tốn dạng (6) thể dịng Qi sinh độ chênh ( σo Ti4 ) (Ji), chuyển động qua nhiệt trở εi Nhiệt trở gọi nhiệt trở phản xạ Fi εi Phương trình tính tốn dạng (7) biểu thị phân dòng điểm nút Ji với nhiệt trở nhánh Fi φij Các nhiệt trở gọi nhiệt trở hình học Nếu hệ gồm (n) thành phần trao đổi nhiệt xạ với viết (2n) phương trình dạng (6) (7) Giải hệ phương trình xác định dịng nhiệt xạ hiệu dụng hiệu tất bề mặt trao đổi nhiệt 124 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (6/2021) Hình Mơ hình hình học trao đổi nhiệt xạ mơi trường bên ngồi bên qua lớp kính - Bên ngồi nhà; - Lớp kính; - Bên nhà; - Tường nhà Như vậy, tham gia vào trình trao đổi nhiệt xạ xem gồm ba thành phần: mơi trường bên ngồi trời, cửa kính mơi trường bên phịng Trên sở phân tích q trình trao đổi nhiệt xạ mơi trường ngồi trời với bề mặt ngồi kính, bề mặt kính với mơi trường phịng, mơi trường ngồi trời với mơi trường phịng xun qua cửa kính ta thiết lập phương trình xác định dịng nhiệt trao đổi xạ Dòng nhiệt xạ từ mơi trường ngồi trời đến bề mặt ngồi kính: Q12 E01 F1 φ12 1 τ2 (a) Trong đó, t2 hệ số xun qua kính Dịng nhiệt phản xạ từ bề mặt ngồi kính môi trường xung quanh: (b) Q2 1 J2 F2 φ21 Theo [1]: F1 φ12 F2 φ21 (c) Từ (a), (b), (c) xác định dòng nhiệt trao đổi xạ mơi trường bề mặt ngồi kính: Q12 E 01 F1 φ12 1 τ J2 F21 φ21 J2 J E 01 1 τ 1 τ R1 F1 φ12 1 τ E 01 (8) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Dòng nhiệt dòng xạ hiệu bề mặt kính phía ngồi trời tính sau: Q12 F2 A2E01 ε2E02 (d) Năng suất xạ hiệu dụng bề mặt kính phía ngồi trời: J2 ε2E 02 ρ2E01 Suy ra: E 01 J2 ε2E 02 ρ2 (e) Ở đây, 2 hệ số phản xạ bề mặt kính Để đơn giản, ta chấp nhận giả thiết A2 = 2 Khi đó, (e) vào (d) ta được: J2 J2 E 02 E 02 1 τ 1 τ Q12 ρ2 R2 ε 2F2 1 τ Q31 E 03 F3 φ31 τ (n) Từ (m), (n) suy dòng nhiệt trao đổi xạ mơi trường bên ngồi bên là: Q13 E 01 F1 φ13 τ E 03 F3 φ31 τ E 01 E 03 E 01 E 03 (12) R5 F1 φ13 τ Tập hợp phương trình từ (8) (12) xây dựng sơ đồ mạch điện biểu diễn q trình trao đổi nhiệt xạ mơi trường bên ngồi bên qua lớp kính thể hình (9) Dịng nhiệt xạ hiệu bề mặt kính phía phịng tính sau: Q23 F2 ε2E 02 A2E 03 (f) Năng suất xạ hiệu dụng bề mặt kính phía phịng: J2' ε 2E b2 ρ 2E 03 Suy ra: E 03 J2' ε2E 02 ρ2 (g) Thế (g) vào (f) ta dòng xạ hiệu bề mặt kính phía phịng: ' ' J J E 02 1 τ 1 τ Q23 ρ2 R3 ε2F2 1 τ E 02 (10) (h) Dòng nhiệt phản xạ từ bề mặt kính tới mơi trường phòng: Q J2' F2 φ 23 (k) Từ (h), (k) ta có dịng nhiệt trao đổi xạ bề mặt kính mơi trường phòng: Q23 E 03 F3 φ32 1 τ J2' F2 φ23 J2' J' E 03 1 τ 1 τ R4 F3 φ32 1 τ E 03 (11) Dịng nhiệt xạ từ mơi trường ngồi trời xun qua lớp kính vào phịng: Q13 E 01 F1 φ13 τ (m) Dòng nhiệt xạ từ mơi trường phịng xun qua lớp kính bên ngoài: Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Từ sơ đồ mạch điện hình 3, dịng nhiệt xạ từ mơi trường bên ngồi xun qua kính vào phịng xác định sau: Q1 E 01 E 03 R5 (13) Dòng nhiệt truyền vào phòng xạ từ bề mặt kính: Q2 Dịng nhiệt xạ từ mơi trường bên đến bề mặt kính: Q32 E03 F3 φ32 1 τ2 Hình Mơ hình trao đổi nhiệt xạ mơi trường bên ngồi bên qua lớp kính E 01 E 03 R1 R2 R3 R (14) Từ (13), (14) ta có dịng nhiệt xạ từ mơi trường bên ngồi vào phịng là: Qbx E01 E03 R5 R1 R2 R3 R R1 R2 R3 R R5 (15) Sử dụng công thức (15), với thông số môi trường thông số đặc trưng kính: hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ hệ số xuyên qua ta tính dịng nhiệt xạ Chẳng hạn, tính xạ nhiệt mặt trời qua lớp kính vào khơng gian điều hòa theo hướng tây thời điểm 15h00 vào tháng vĩ độ 200 bắc, nhiệt độ phòng 240C; hệ số hấp thụ, phản xạ xuyên qua kính 0,15; 0,08; 0,77 Mật độ dòng nhiệt truyền xạ qua lớp kính tính 536,09W/m2 Trong đó, từ cơng thức (13) (14) xác định mật độ dòng nhiệt truyền trực tiếp từ ngồi trời vào phịng 488,43W/m2 chiếm 91,12% tổng lượng nhiệt xạ vào phịng qua lớp kính; mật độ dịng nhiệt truyền vào phịng bề mặt kính nhận nhiệt hấp thụ từ bên 47,66W/m2 chiếm 8,88% tổng lượng nhiệt xạ vào phòng qua Vol 57 - No (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 125 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ lớp kính Từ kết tính tốn nhận thấy, để hạn chế dòng nhiệt xạ qua lớp kính vào phịng cần chọn loại kính có hệ số phản xạ lớn hay tráng lớp màng phản xạ bề mặt ngồi kính Độ xác kết nghiên cứu cần kiểm chứng thực nghiệm Tuy nhiên, cơng thức tốn học xây dựng dựa việc thiết lập phương trình cân nhiệt tất thành phần tham gia trình truyền nhiệt xạ dựa vào mơ hình tương tự nhiệt điện kiểm chứng độ xác [7] khẳng định kết nghiên cứu đáng tin cậy P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 AUTHOR INFORMATION Nguyen Dang Khoat University of Transport and Communications KẾT LUẬN Đã xây dựng thành cơng cơng thức tốn học xác định dịng nhiệt xạ mặt trời qua lớp kính vào phịng sở mơ hình tương tự nhiệt điện Đây kết khoa học, cơng thức tốn học cịn sử dụng để tính tốn xạ nhiệt hai môi trường qua lớp vật liệu trong thiết bị nhiệt công nghiệp Kết nghiên cứu xác định tỷ lệ riêng phần lượng nhiệt xạ truyền trực tiếp vào phòng qua lớp kính lượng nhiệt xạ truyền bề mặt kính hấp thụ nhiệt Kết sở để lựa chọn vật liệu kết cấu xây dựng hay thiết bị nhiệt công nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dang Quoc Phu, Tran The Son, Tran Van Phu, 2004 Truyen nhiet Vietnam Education Publishing House [2] Ha Dang Trung, Nguyen Quan, 1997 Co so ky thuat dieu tiet khong Science and Technics Publishing House, Hanoi [3] Nguyen Duc Loi, 2009 Giao trinh thiet ke he thong dieu hoa khong Vietnam Education Publishing House [4] Holman J P., 2010 Heat Transfer Tenth Edition, McGraw - Hill, New York [5] Jenkins B G., Moles F D., 1981 Modelling of Heat Transfer from a Large Enclosed Flame in a Rotary Kiln Transactions of the Institution of Chemical Engineers, 59, pp 17 - 25 [6] Kirslis Steven J., 1989 Heat Transfer Model and Computer Program for a Direct - Fired Rotary Kiln The University of Tennesee, Knoxville [7] Oppenheim A K., 1956 Radiation Analysis by the Network Method ASME Trans [8] Silcox Geoffrey D., et al., 1991 Thermal Analysis of Rotary Kiln Incineration: Comparison of Theory and Experiment Combustion and Flame, 86, pp 101 – 114 [9] Silcox Geoffrey D., Perching David W., 1990 The Effects of Rotary Kiln Operating Conditions and Design on Burden Heating Rates as Determined by a Mathematical Model of Rotary Kiln Heat Transfer Journal of the Air and Waste Management Association 40, pp 337 - 344 [10] Tomaz E., Filho R Maciel, 1999 Steady State Modeling and Numerical Simulation of the Rotary Kiln Incinerator and Afterburner System Computers and Chemical Engineering Supplemenr, 431 – 434 126 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (6/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... dịng nhiệt xạ mặt trời qua lớp kính vào phịng sở mơ hình tương tự nhiệt điện Đây kết khoa học, cơng thức tốn học cịn sử dụng để tính tốn xạ nhiệt hai môi trường qua lớp vật liệu trong thiết bị nhiệt. .. thức (15), với thông số môi trường thông số đặc trưng kính: hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ hệ số xuyên qua ta tính dịng nhiệt xạ Chẳng hạn, tính xạ nhiệt mặt trời qua lớp kính vào khơng gian điều... trao đổi nhiệt xạ mơi trường bên ngồi bên qua lớp kính thể hình (9) Dịng nhiệt xạ hiệu bề mặt kính phía phịng tính sau: Q23 F2 ε2E 02 A2E 03 (f) Năng suất xạ hiệu dụng bề mặt kính phía