tiểu luận truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng

Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Bộ công thương Trường Đại học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh  Tiểu luận Giáo viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trúc Sinh viên thực hiện: Nguyễn Anh Tuấn (0612438) Vũ Thanh Tú (0615518) Đỗ Quốc Cường (0604848) Bùi Xuân Toàn (0612254) Phạm Hân (0604741) Phan Văn Hồng (0614394) Tp Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2009 Phụ lục 0 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Lời nói đầu 2 Phần I Cơ Sở Lý Thuyết 3 1.1 Bức xạ nhiệt 3 1.2 Độ phát xạ E, độ phản xạ R 4 1.3 Hệ số cách nhiệt của vật liệu R 5 1.4 Hệ số dẫn nhiệt K 6 Phần II : Truyền Nhiệt Bức Xạ Qua Tấm Phẳng, Hấp Thụ Bức Xạ Nhiệt 2.1 Sự phản xạ bức xạ mặt trời 8 2.2 Hấp thụ bức xạ bởi tấm kính 11 2.3 Các đạc tính quang học của hệ thống tấm nắp 12 2.4 Hệ số truyền dẫn bức xạ khuyếch tán 14 2.5 Hệ số truyền dẫn và hệ số hấp thụ của sản phẩm 15 2.6 Sự phụ thuộc góc ( )  16 2.7 Sự phụ thuộc quang phổ của hệ số truyền dẫn 17 2.8 Những ảnh hưởng của các lớp bề mặt lên hệ số truyền dẫn 20 2.9 Hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời 21 2.10 Bức xạ hấp thụ trung bỉnh hằng tháng 22 2.11 Hệ số hấp thụ trong phòng 26 Tổng kết 28 Tài liệu tham khảo 29 Lời nói đầu 1 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Thế giới ngày nay của chúng ta đang đối đầu với nhiều thách thức trong đó vấn đề an ninh năng lương là một vấn đề nóng mà chúng ta đang từng bước tìm cách tháo dỡ. Khi mà các nguồn tài nguyên năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá…, đang bước vào giai đoạn khó khăn, cạn kiệt trong khai thác, cũng như vấn đề ô nhiễm toàn cầu ngày càng trở nên nhức nhối thì vấn đề được đặt ra là: “Trong tương lai gần con người sống và sử dụng nguồn năng lượng nào thay thế”. Một trong những giải pháp hữu hiệu nhất đảm bảo cả về chất lượng môi trường, và cuộc sống đó là năng lượng mặt trời. Từ những ứng dụng thực tiễn ban đầu đến nay, con người bước đầu đã nắm được phần cơ sở của việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong quá trình thay thế các nguồn năng lượng khác. Tuy nhiên, từ thực tế sử dụng đặt ra nhiều vấn đề mà chúng ta vẫn còn rất băn khoăn trong cách sử dụng đó là: “Chi phí và hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời”. Tuy nhiên, từ những thành công ban đầu đó chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng vào tương lai của ngành năng lương thế giới. Đề tài “ Truyền nhiệt qua bức xạ qua tấm phẳng” giúp cho sinh viên có những kiến thức ban đầu về cơ chế hoạt động của bức xạ mặt trời đến trái đất cũng như khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời các bề mặt vật liệu trong cuộc sống của chúng ta. Từ đó nắm bắt những tiến bộ mới nhất sự phát triển của ngành năng lượng thế giới và các ứng dụng hữu ích của năng lượng mặt trời trong thực tế cuộc sống. Nhóm sinh viên thực hiện TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ QUA TẤM PHẲNG 2 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 PHẦN I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Bức xạ nhiệt. Bức xạ nhiệt là sự truyền nhiệt (năng lượng nhiệt) dưới dạng sóng điện từ (tia hồng ngoại - Infrared rays) xuyên qua khoảng không. Sóng bức xạ, giống như sóng radio nằm giữa sóng ánh sáng và sóng radar (có quang phổ từ 3-15 micron). Vì vậy, khi nói đến sóng bức xạ, ta chỉ đề cập đến tia hồng ngoại. Mọi bề mặt đều phát xạ, chẳng hạn như dàn nóng máy lạnh, bếp, mái sàn, vách và ngay cả các vật liệu cách nhiệt thông thường, đều phát xạ ở các cấp độ khác nhau. Nhiệt bức xạ không nhìn thấy được và không có nhiệt độ, thực chất là một dạng truyền năng lượng. Chỉ khi tia bức xạ đập vào một bề mặt, năng lượng bức xạ mới sinh ra nhiệt làm cho bề mặt này nóng lên. Khái niệm này có thể hình dung rõ hơn qua ví dụ sau: vào ngày nắng, nhiệt bức xạ từ mặt trời chiếu vào xe hơi, xuyên qua lớp kính làm cho kính nóng lên. Ngoài ra, mặt trời cũng làm cho phần vỏ xe nóng lên, bức xạ tiếp vào bên trong xe. Bức xạ nhiệt từ mặt trời, đập vào vách và mái nhà. Do đó các vật liệu này sẽ hấp thụ nhiệt lượng đó và nóng lên. Nhiệt này truyền vào mặt trong của vách và mái nhà thông qua quá trình dẫn nhiệt, tiếp theo đó là bức xạ tiếp tục vào không gian bên trong. Các bề mặt này tiếp tục phát xạ làm cho làn da con người hứng chịu bức xạ nhiệt xuyên qua không khí. Chính bức xạ thứ cấp này là nguyên nhân gây ra sự “nóng hầm” trong nhà, đem lại cảm giác nóng bức khó chịu cho con người. 3 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 1.2 Độ phát xạ và độ phản xạ. * Mọi vật liệu đều hấp thụ và phát xạ nhiệt. Đối với nhiệt bức xạ, có hai chỉ số đặc trưng: 1.2.1 Độ phát xạ E (Emittance/Emissivity): là đại lượng đặc trưng cho khả năng hấp thụ hoặc phát xạ bức xạ nhiệt măt trời của một bề mặt vật liệu (tất cả các vật liệu đều có hệ số phát xạ dao đông từ 0 đến 1). Độ phát xạ càng thấp thì nhiệt phát ra từ bề mặt của vật liệu càng thấp ( năng lượng hồng ngoại). Bức xạ hồng ngoại được một vật thể hấp thụ như là nhiệt. - Chiều dày của vật liệu không ảnh hưởng đến độ phát xạ, chỉ có bề mặt của vật liệu mới là yếu tố quyết định đến độ phát xạ của vật liệu. 1.2.2 Độ phản xạ R (Reflectance/Reflectivity): thể hiện khả năng phản chiếu năng lượng bức xạ trên bề mặt, chống sự xâm nhập của tia bức xạ. - Độ phát xạ và phản xạ có mối liên hệ tương quan lẫn nhau, vật liêu có độ phát xạ thấp thì có độ phản xạ cao. 4 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Độ phát xạ (E) và độ phản xạ (R) của một số vật liệu 1.3 Hệ số cách nhiệt của vật liệu R Hệ số cách nhiệt hay còn gọi là "R". Hệ số cách nhiệt của một vật liệu được tính bằng thương giữa độ dày (T) với hệ số dẫn nhiệt của vật liệu đó. Đơn vị tính: m 2 . o K/W. Vật liệu cách nhiệt thường được phân loại dựa vào “Hệ số cách nhiệt”, thể hiện khả năng làm suy giảm dòng nhiệt lượng truyền qua vật liệu Ngoài ra hệ số cách nhiệt R-value của vật liệu cách nhiệt được còn được thể hiện bằng “R-number” trong điều kiện điện trở nhiệt trên đơn vị chiều dày inch. Với độ dày bất kỳ, hệ số cách nhiệt R tổng cộng bằng tỷ lệ R/inch nhân với độ dày.Hệ số cách nhiệt R càng cao thì khả năng cách nhiệt của vật liệu càng tốt Ví dụ: xenlulo có hệ số cách nhiệt R-3.7 / inch, vật liệu cách nhiệt có độ dày 6-inch => R tổng cộng = R-22.2 (6 x 3.7). 5 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Hệ số cách nhiệt R của bất kỳ vật liệu nào đó luôn thể hiện được khả năng dẫn nhiệt của vật liệu đó. Ví dụ: tính hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt có R-3.5/inch, ta có kết quả sau: l = 1/3.5 = 0,2857 (Btu.in/ft 2 .h. o F) K = 0,2857 x 0,1442 = 0,0412 (W/m. o K) Vật liệu có độ phản xạ càng cao thì khả năng chống được bức xạ nhiệt càng tốt. 1.4 Hệ số dẫn nhiệt K Hệ số dẫn nhiệt (ký hiệu là “l” hoặc “k”): Là đại lượng vật lý đo lường khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, được tính bằng Watt trên mét vuông (W/m 2 ) trên bề mặt một gradien nhiệt độ một Kelvin (1 0 K) trên đơn vị độ dày 1m. Đơn vị tính là W/m. 0 K Ngoài ra l còn được tính theo đơn vị Anh: 1 Btu.in/ft 2 .h. F = 0.1442 W/m. 0 K PHẦN II: SỰ TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ QUA TẤM PHẲNG HẤP THỤ BỨC XẠ NHIỆT 6 Truyền nhiệt qua vật liệu Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Sự truyền dẫn, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời bởi những phần khác nhau của bộ thu năng lượng mặt trời rất quan trọng trong việc xác định hiệu quả của một bộ thu. Hệ số truyền dẫn, hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ là những hàm của bức xạ tới, bề dày, chỉ số khúc xạ và hệ số cản trở của vật liệu. Thông thường, chỉ số khúc xạ và hiệu suất cản trở k của vật liệu tấm nắp là những hàm của bước sóng bức xạ. Tuy nhiên, mọi đặc tính ban đầu sẽ được giả định là độc lập với bước sóng ánh sáng. Một ví dụ tốt nhất là đối với thuỷ tinh. Vật liệu phổ biến làm tấm nắp của bộ thu năng lượng mặt trời. Nhiều vật liệu tấm nắp có những đặc tính quang học quan trọng thay đổi với bước sóng và quang phổ phụ thuộc vào những đặc tính được xem xét ở phần sau. Tuy nhiên, sự đới lưu phân cực là quan trọng như bức xạ tới phân cực từng phần khi nó đi qua tấm nắp bộ thu. 2.1 Sự phản xạ bức xạ mặt trời. 7 Bức xạ mặt trời qua một tấm vật liệu bao gồm các thành phần: Phản xạ ( reflection), truyền dẫn (transmission) và hấp thụ (absorption) 2 2 1 2 2 1 sin ( ) sin ( ) r         2 2 1 2 2 1 tan ( ) tan ( ) r        P 1 ( ) 2 r i I r r r I     P Các thành phần của tia bức xạ truyền tới một bề mặt Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Đối với những bề mặt Fresnel nhẵn mịn ta nhận được những biểu thức về sự phản xạ không phân cực đi từ môi trường 1 với chỉ số khúc xạ n 1 đến môi trường 2 với chỉ số khúc xạ n 2 : (5.1.1) (5.1.2) (5.1.3) 8 Quá trình truyền của tia bức xạ Thành phần phản xạ Tia tới Thành phần khúc xạ Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Ở đây 1  và 2  là những góc tới và góc khúc xạ. Phương trình về 5.1.1 thể hiện những thành phần vuông của bức xạ không phân cực, r  , và phương trình 5.1.2 biểu diễn thành phần song song của bức xạ không phân cực, r P .( song song và vuông góc với bề mặt ngang được xác định bởi tia tới và bề mặt thường). Phương trình 5.1.3 chỉ ra sự phản xạ của bức xạ không phân cực như trung bình của hai thành phần. Góc 1  và 2  quan hệ với hệ số khúc xạ định luật Snell.  Định luật Snell: Công thức đặc trưng của hiện tượng khúc xạ, được gọi là định luật Snell hay định luật khúc xạ ánh sáng có dạng: Trong đó:  i là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 tới mặt phẳng phân cách và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường.  r là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách ra môi trường 2 và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường.  n 1 là chiết suất môi trường 1.  n 2 là chiết suất môi trường 2. Tỉ số 1 2 n n không thay đổi, phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối với môi trường chứa tia tới (môi trường 1). Nếu tỉ số này lớn hơn 1 thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới, ta nói môi trường 2 chiết quang hơn môi trường 1. Ngược lại nếu tỉ số này nhỏ hơn 1 thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới, ta nói môi trường 2 chiết quang kém môi trường 1. Trong các ứng dụng năng lượng mặt trời, sự truyền dẫn năng lượng mặt trời qua một tấm hoặc màng của vật liệu có hai bề mặt chung trên tấm nắp gây ra sự phản xạ thất thoát. Bức xạ mặt trời phản xạ tại bề mặt chung là khác nhau đối với mỗi thành 9 [...]... (5.3.8) 13 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Chú ý rằng hệ số phản xạ từ tấm nắp phụ thuộc vào tấm nắp chắn bức xạ 2.4 Hệ số truyền dẫn bức xạ khuyếch tán Bức xạ mặt trời tới một bộ thu chỉ bao gồm bức xạ mặt trời phân tán từ bầu trời và có thể bức xạ mặt trời phản xạ từ mặt đất Chủ yếu, số lượng bức xạ ngang qua hệ thống tấm nắp có thể được tính toán bằng cách tích phân bức xạ truyền lên... trên là bức xạ phản xạ từ mặt đất bởi  e  90  0.5788  0.002693 2 (5.4.1) và bức xạ khuyếch tán là  e  59.7  0.1388  0.001497  2 (5.5.2) 15 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Góc hiệu quả của tán xạ đẳng hướng và bức xạ phản xạ từ mặt đất lên mặt phẳng nghiêng 2.5 Hệ số truyền dẫn và hệ số hấp thụ của sản phẩm Bức xạ mặt trời ngang qua hệ thống tấm nắp và tia tới đến mặt phẳng, một... sẽ xuất hiện màu trắng khi được quan sát ở bên cạnh bên) đến xấp xỉ 32 m -1 đối với thuỷ tinh chất lượng thấp ( hóa xanh khi được quan sát ở cạnh bên) Hấp thụ bức xạ nhiệt bởi tấm kính phẳng 11 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng 2.3 Đề tài 5 Các đặc tính quang học của hệ thống tấm nắp Hệ số truyền dẫn, hệ số phản xạ, hệ số hấp thụ của một tấm nắp đơn, cho phép cả sự phản xạ và hấp thụ mất mát, có thể... như đơn nhất 19 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Trong toàn bộ một hệ thống trong đó các tấm nắp có đặc tính quan trọng phụ thuộc bước sóng, sự phân bố quang phổ bức xạ mặt trời thay đổi như khi nó đi qua các lớp tấm nắp Ngược lại, nếu mọi tấm nắp là giống nhau, hệ số truyền dẫn của riêng mỗi tấm nắp tăng lên theo khuynh hướng giống như sự gia tăng bức xạ tới Nếu như các tấm nắp là không... hệ số truyền dẫn sẽ chỉ quan trọng trong quang phổ hồng ngoại tại bước sóng  > 3µ Biểu đồ 5.7.2 chỉ ra đường cong biểu diễn hệ số truyền dẫn đối với một tấm polyvinyl fluoride (“ Tedlar”) với bước sóng dài hơn 2.5µm 20 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Sự truyền bức xạ qua các lớp thuỷ tinh 2.8 Những ảnh hưởng của các lớp bề mặt lên hệ số truyền dẫn Nếu một tấm phẳng với chỉ số khúc xạ thấp... phân bố của bức xạ thì thường không biết Đối với bức xạ tới đẳng hướng (với một góc độc lập), phép lấy tích phân có thể được thực hiện Sự trình bày các kết quả có thể được đơn giản hóa bằng cách xác định một góc tương đương với tia bức xạ có cùng hệ số truyền dẫn như đối với bức xạ khuyếch tán Đối với phạm vi rộng của các điều kiện gặp nhau của các tấm thu 14 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài... phẩm truyền dẫn hấp thụ Kết quả của phương pháp này là tổng kết theo ví dụ mà bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi tấm thu năng lượng mặt trời được tính 22 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 2.10 Bức xạ hấp thụ trung bình hằng tháng Các phương pháp ước lượng biểu diễn hệ thống mặt trời giới hạn dài đòi hỏi bức xạ hấp thụ trung bình bởi bộ thu có giá trị có giá trị trong thời gian hàng tháng Hệ số truyền. .. bộ thu năng lượng mặt trời một tấm nắp và đề xuất sử dụng giá trị này một cách rông rãi đối với bộ thu đặt nằm nghiêng về phía đường xích đạo với một góc xấp xỉ bằng phạm vi cộng với 150 trong việc phân tích hệ thống sưởi Đối với bộ thu năng lượng có hai tấm nắp đề xuất giá trị không đổi là 0.94 24 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 25 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Biểu đồ: Hàng... cơ bản là 60 0 Hay nói cách khác, tia bức xạ tới tại một góc 600 có cùng hệ số truyền dẫn như bức xạ khuyếch tán đẳng hướng Bức xạ khuyếch tán gần mặt trời có thể được xem xét như có cùng góc tới như tia bức xạ Bức xạ khuyếch tán từ đường chân trời thường là sự bao gồm rất ít đối với lượng tổng bức xạ như số lượng có thể đạt được khi có cùng góc tới như bức xạ khuyếch tán đẳng hướng Các bộ thu năng... 2.9 Hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời Sự dự đoán về các tấm thu năng lượng mặt trời biểu diễn các thông tin yêu cầu trên việc hấp thụ năng lượng mặt trời bởi các tấm phẳng hấp thụ năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời phụ thuộc vào độ nghiêng của tấm thu Bức xạ mặt trời tới có ba thành phần khác nhau phân bố trong không gian: bức xạ tia, bức xạ khuyếch tán, và bức xạ phản xạ từ mặt đất, và mỗi phần . viên thực hiện TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ QUA TẤM PHẲNG 2 Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 PHẦN I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Bức xạ nhiệt. Bức xạ nhiệt là sự truyền nhiệt (năng lượng nhiệt) dưới. TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ QUA TẤM PHẲNG HẤP THỤ BỨC XẠ NHIỆT 6 Truyền nhiệt qua vật liệu Truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng Đề tài 5 Sự truyền dẫn, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời bởi những. II : Truyền Nhiệt Bức Xạ Qua Tấm Phẳng, Hấp Thụ Bức Xạ Nhiệt 2.1 Sự phản xạ bức xạ mặt trời 8 2.2 Hấp thụ bức xạ bởi tấm kính 11 2.3 Các đạc tính quang học của hệ thống tấm nắp 12 2.4 Hệ số truyền