Chuong 4 Buc xa nhiet

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM CHƢƠNG BỨC XẠ NHIỆT Khái niệm xạ nhiệt Các định luật xạ nhiệt Trao đổi nhiệt xạ hai phẳng đặt song song Trao đổi nhiệt xạ hai vật bọc TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM 4.1 Khái niệm xạ nhiệt: TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Một vật có nhiệt độ T >  có nhiệt  phần nhiệt biến thành lượng sóng điện từ  truyền không gian  gặp vật thể khác  Hấp thụ  biến lại thành nhiệt Một vật phát lượng xạ nhận lượng xạ từ vật thể khác chiếu đến TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Trao đổi nhiệt xạ: q trình trao đổi nhiệt xảy vật có nhiệt độ khác đặt cách xa  Năng lượng xạ truyền khơng gian dạng sóng điện từ BẢNG PHÂN LOẠI THEO BƯỚC SÓNG Dạng xạ Chiều dài bước sóng Tia vũ trụ 0,05.10-6 Tia gamma (0,5  1,0).10-6 Tia Rơnghen Tia tử ngoại Tia sáng Tia hồng ngoại Sóng vô tuyến điện 10-6  20.10-3 20.10-3  0,4 0,4  0,8 0,8  400 0,2mm  X km TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Doøng xạ, hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ hệ số xuyên qua: Tia tới Thành phần phản xạ Qo QA: phần hấp thụ biến thành nhiệt ; QR: phần phản xạ; QR Thành phần hấp thụ Q QD Qo: dòng xạ chiếu lên bề mặt (W); QD: phần xuyên qua A Thành phần xuyeân qua Qo  Q A  Q R  Q D TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM QA QR QD    A R  D 1 Qo Qo Qo A, R, D: hệ số hấp thu, phản xạ, xuyên qua; Biến đổi từ  1, phụ thuộc vào chất vật lý vật, nhiệt độ, chiều dài bước sóng A=1 vật đen tuyệt đối R=1 vật trắng tuyệt đối D=1 vật tuyệt đối Vật xám: D = A + R = TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM  Khả xạ bán cầu– Bức xạ toàn phần E [W/m2] Là dòng xạ phát đơn vị diện tích dF, ứng với đơn vị thời gian toàn không gian nửa bán cầu ứng với tất bước sóng  =   dQ E dF (W/m2) Năng lượng xạ Q (W): Q   E  dF (W) F TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM  Khả xạ đơn sắc E [W/m2] Là mật độ xạ bán cầu ứng với giải hẹp chiều dài bước sóng (chỉ xét với dãi bước sóng heïp    +d) dE E  d (W/m3) Bức xạ bán cầu E (W/m2):  E   E  d  (W/m2) TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM  Khả xạ hiệu dụng Ehd Xét dòng xạ tới từ bên E2 chiếu lên bề mặt vật xám (A + R = 1) - Năng lượng xạ vật phát ra: A1*E2 = + E2 Vật Ehd gọi khả xạ hiệu dụng vật = E1 Ehd = E1 + (1-A1)E2 (W/m2) E1 + (1-A1)E2 - Năng lượng xạ mà vật trao đổi với môi trường xung quanh là: q = E1 – A1E2 = Ekq Ekq: khả xa ïkết (W/m2) TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM 4.2 Các định luật xạ nhiệt:  Định luật Planck: Định luật thiết lập mối quan hệ khả xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối Eo = f(,T) C1   5 Eo  C2 (  T ) e 1 W m3 Với C1, C2 số Planck thứ thứ hai C1  0,3742.1015W m C2  1, 4388.102 m.K  – chiều dài bước sóng, m T – nhiệt độ tuyệt đối vật, K 10 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Đồ thị Mật độ dòng đơn sắc – chiều dài bước sóng 11 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM  Định luật Stefan – Bolztmann: Định luật thiết lập mối quan hệ khả xạ bán cầu vật đen tuyệt đối phụ thuộc vào nhiệt độ - Khả xạ bán cầu vật đen tuyệt đối:  T  Eo  Co   100   (W/m2) với Co = 5,67 W/(m2.K4) : hệ số xạ vật đen tuyệt đối - Đối với vật xám :  T   T  E C    Co    100   100  với  = C/Co (0 <  < 1): độ đen vật (đặc trƣng cho khả xa)ï (W/m2) 12 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM  Định luật Kirchhoff: Định luật thiết lập mối quan hệ khả xạ  vật với hệ số hấp thụ A Vật đen To Ao=1 Vật xám Xét hai phẳng đặt song song với: T1 A1 – Kích thước lớn so với khoảng cách Eo (1-A1).Eo E1 A1.Eo – Vật đen có nhiệt độ To, khả xạ Eo – Vật xám lại có nhiệt độ T1, khả xạ E1, hệ số hấp thụ A1 13 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Nhiệt lượng trao đổi xạ tấm: q  E1  A1 Eo Ở điều kiện cân nhiệt động (To = T1) q = neân: E1  A1 Eo  E1  Eo A1 Thay vật xám vật xám khác, tổng quát: ĐL Kirchhoff: Trong ĐK cân En   Eo  f T  An E1 E2   A1 A2 nhiệt động, tỷ số khả xạ hệ số hấp thụ vật xám khả xạ vật đen tuyệt đối Eo  T  C  E 100    A   E0  T  C0   100   A= Vật có khả hấp thụ mạnh có khả xạ mạnh 14 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM 4.3 Trao đổi nhiệt xạ phẳng đặt song song:  Hai phẳng đặt song song: Tấm 1: có nhiệt độ T1, hệ số hấp thu A1 Tấm 2: có nhiệt độ T2, hệ số hấp thụ A2 Diện tích F1 = F2 = F Năng lượng trao đổi nhiệt BX hai là: Q12 = Q1hd – Q2hd Vì hai có diện tích nên viết: q12 = E1hd – E2hd E1hd  E1  (1  A1 ) E2 hd   E2 hd  E2  (1  A2 ) E1hd  15 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Tìm E1hd E2hd E1  (1  A1 ) E2  A1  A2  A1 A2    E2  (1  A2 ) E1    A1  A2  A1 A2  E1hd  E2 hd q12  A2 E1  A1 E2 A1  A2  A1 A2 Theo định luật Stefan – Boltzmann:  T  E1  1Co    100   T2  E2   2Co   100   Theo định luật Kirchhoff: A =  ; 16 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Nhieät lượng trao đổi hai  T1 4  T2   Co q12       1    100   100   1 Hoaëc W m2 2  T1 4  T2   Q12  q12 F  F 12Co      W  100   100   Độ đen hệ: 12  1  1 2 1 17 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM  T1 4  T2   Co q12       1    100   100   1 2 q12  Eo1  Eo  1  1       1    2  Nhiệt trở xạ bề mặt phẳng 1 1 R    2 Sơ đồ mạng nhiệt trở xạ q12  Eo1  Eo R1  R 18 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM  Tấm phẳng đặt song song có bố trí màng chắn: Xét trường hợp phẳng song song đặt chắn xạ có độ đen c Màn chắn xạ: vật xám, bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt Sơ đồ mạng nhiệt trở xạ  T1 4  T2   Co      100 100      q12   1  1  1     2        1    c    2  q12  E01  E02 R1  R c  R 19 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Nhiệt trở xạ:  1 R1      1   1 R c      c   1 R      2  Trường hợp n màng chắn có độ đen khaùc nhau:  T1 4  T2 4  Co      100 100      q12   1 n  1  1      2        1  i 1   ci    2   T1 4  T2   Co       100   100   q12   1   n              1   i 1   ci W m2 20 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM 4.4 Trao đổi nhiệt xạ hai vật bọc nhau: Ví dụ: trao đổi nhiệt buồng đốt, xạ vật thể đặt phòng, xạ thiết bị … Khảo sát: + Vật 1: diện tích F1, nhiệt độ T1, hệ số hấp thu A1, + Vật 2: diện tích F2, nhiệt độ T2, hệ số hấp thu A2, Vì F1  F2 : tính dòng xạ Q12 Đặc điểm: Năng lượng xa vật phát toàn rơi vật 2, lượng xạ phát từ vật có phần rơi lên vật 1, phần lại rơi lên thân 21 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM - Gọi 21: số % lượng xạ vật rơi lên vật (hệ số chiếu xạ hệ số góc) Ta có lượng xạ trao đổi vật: Q12  Q1hd  21Q2 hd Trong Q1hd  Q1  1  A1  21Q2 hd Q2 hd  Q2  1  A2  Q1hd  1  A2 1  21  Năng lượng xạ thân vật:   T1  Q1  E1 F1  1Co   F1   100     T2   Q2  E2 F2   2Co  F  2  100      Q2 hd  (1) (2) 22 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Giải hệ phương trình (1) (2) tìm Q1hd , Q2hd   T1  Co  T2  Q12  F   F  1 21    100 1    100     21   1 1  2  4    Trong điều kiện cân nhiệt động (T1 = T2 = T) Q12 = 0: 4  T   T  F1    F 21    0  100   100  F1 21  F2 Hệ số góc 21 túy mang tính chất hình học, không phụ thuộc chất vật lý vật 23 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Thay φ21=F1/F2, lượng xạ trao đổi hai vật:  T1 4  T2   Co F1 Q12         100   100   F1     1 1 F2    đặt 12   F1     1 1 F2     T1 4  T2   Q12  12Co F1       100   100   Trường hợp đặc biệt:  Khi F1