Bài giảng môn học nhiệt động kỹ thuật đại học thủy lợi 2

BỨC XẠ NHIỆT I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Định nghĩa TĐNBX Quá trình trao đổi nhiệt thực sóng điện từ  Đặc điểm - Mọi vật có T > 00K  có khả xạ lượng, biến đổi nội dao động điện từ - Các sóng điện từ có chất khác chiều dài bước sóng  Ví dụ: - Các tia vũ trụ tia gama:   0,1.10  10.10 m - Các tia Rơn nghen:   1  0 m - Các tia tử ngoại : m   0, 02  0, - Các tia ánh sáng: m   0,  0, 76 - Các tia hồng ngoại: m   0, 76  400 - Các sóng vô tuyến: mm   0,2 4 4 4 4 (  0,  400m) I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Định nghĩa TĐNBX - Các tia hồng ngoại ánh sáng trắng có bước sóng   m   0,4  400 có hiệu ứng nhiệt cao gọi tia nhiệt - Bức xạ nhiệt: Q trình truyền tia nhiệt khơng gian - Hấp thụ xạ: Quá trình hấp thụ phần hay toàn tia nhiệt để biến thành nhiệt - Cách trao đổi nhiệt: Nhiệt  Năng lượng xạ  Nhiệt - Vật trạng thái cân có lượng xạ lượng hấp thụ (  0,  400m) I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Vật đen tuyệt đối, trắng tuyệt đối, tuyệt đối Giả sử: Có vật hình vẽ: Q QR QA QD Dịng xạ Q đập tới vật sinh phần: + Phần bị phản xạ QR, + Phần vật hấp thụ QA + Phần xuyên qua vật QD Theo định luật bảo tồn lượng, ta có: QQ Q Q A R D I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Vật đen tuyệt đối, trắng tuyệt đối, tuyệt đối - Viết lại biểu thức bảo toàn lượng: Q Q Q   1 Q Q Q A Trong đó: R D Q A Q : Gọi hệ số hấp thụ Q R Q : Gọi hệ số phản xạ Q D Q : Gọi hệ số xuyên qua A R D - Biểu thức dạng hệ số: A+R+D=1 I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Vật đen tuyệt đối, trắng tuyệt đối, tuyệt đối - Biểu thức dạng hệ số: A + R + D = + Nếu A = (R D = 0): Vật gọi đen tuyệt đối - Vật có khả hấp thụ tồn lượng đập tới + Nếu R = (A D = 0): Vật gọi trắng tuyệt đối - vật có khả phản xạ lại tồn lượng đập tới + Nếu D = (A R = 0): Vật gọi suốt tuyệt đối - vật có khả cho tồn lượng qua + Các khí có số nguyên tử phân tử ≤ xem vật suốt tuyệt tia nhiệt, D = I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Vật đen tuyệt đối, trắng tuyệt đối, tuyệt đối + Vật đục: Không cho tia nhiệt xuyên qua Các vật rắn chất lỏng coi D = Khi A + R = nghĩa vật hấp thụ tốt phản xạ tồi ngược lại + Vật xám: Là trường hợp đặc biệt vật đục khả hấp thụ tốt khả phản xạ Hoặc: Vật mà có đường cong suất xạ đơn sắc E(λ) (phụ thuộc vào nhiệt độ bước sóng) có dạng giống vật đen tuyệt đối, tức là: E  E  const  ,0 + Thực nghiệm cho thấy phần lớn vật liệu dùng kỹ thuật coi vật xám I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Dòng xạ, suất BX, suất BX riêng, suất BX hiệu dụng 3.1 Dòng xạ - Tổng lượng xạ từ bề mặt có diện tích F vật theo phương khơng gian bán cầu bước sóng ( = tới ) đơn vị thời gian - Ký hiệu là: Q (W; J/s) - Nếu xạ tính khoảng λ đến (λ+dλ) gọi xạ đơn sắc  dòng xạ đơn sắc Qλ I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Dòng xạ, suất BX, suất BX riêng, suất BX hiệu dụng 3.2 Năng suất xạ (khả xạ) - Dịng xạ tồn phần ứng với đơn vị diện tích bề mặt xạ dQ E  - Ký hiệu là: E (W/m2); dF + Với xạ đơn sắc: Năng suất xạ đơn sắc dE E  (W/m3) d + Nếu điểm bề mặt, suất xạ có giá trị không đổi: Q E hay Q = EF F 3.3 Năng suất xạ riêng Năng suất xạ thân vật  I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Dòng xạ, suất BX, suất BX riêng, suất BX hiệu dụng 3.4 Năng suất xạ hiệu dụng Giả sử : - Vật đục (A + R = 1) có nhiệt độ T Et T, A - Hệ số hấp thụ A, suất xạ đập tới Et - Năng suất xạ riêng thân vật E (1-A)Et E  Khi vật hấp thụ phần : A.Et  Phần lại vật phản xạ trở lại : R.Et = (1-A).Et Ehd III TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ GIỮA CÁC VẬT ĐẶT TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG SUỐT Trao đổi nhiệt xạ hai vật bọc - Lượng nhiệt trao đổi bề mặt 2: Đặt   qd  F1    1  F   ; qd : độ đen quy dẫn hệ 1 + PT cuối cùng:  T   T   Q   C F      (W)  100   100   12 qd + Trường hợp đặc biệt: Nếu F2 lớn F1 nhiều nên: qd  1:  T   T     C F       (W )(***)  100    100  Q 12 1 III TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ GIỮA CÁC VẬT ĐẶT TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG SUỐT Trao đổi nhiệt xạ hai vật bọc - Lượng nhiệt trao đổi bề mặt 2: Công thức (**) (***) sử dụng bề mặt vật lồi phẳng, không lõm vật phải lõm Có thể dùng cơng thức vật lồi vật lõm tạo nên không gian kín I KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trong thực tế, ba dạng trao đổi nhiệt gồm: Dẫn nhiệt, đối lưu, xạ thường xảy đồng thời có ảnh hưởng lẫn Khi xảy đồng thời dạng trao đổi nhiệt se có trao đổi nhiệt hỗn hợp (hay phức tạp) Ví dụ: Q trình dẫn nhiệt vật liệu xốp ln kèm theo trình trao đổi nhiệt đối lưu xạ lỗ rỗng… Trong trường hợp này, ta chọn dạng trao đổi nhiệt để tính tốn cịn ảnh hưởng dạng trao đổi nhiệt khác xem xét hệ số hiệu chỉnh II TRUYỀN NHIỆT HỖN HỢP QUA VÁCH PHẲNG Truyền nhiệt qua vách phẳng lớp t Giả sử: + Vách phẳng lớp, có  = const, =const tf1 1 t w1 + Chiều dầy  > chiều dày nhiều để nhiệt độ vách thay đổi theo hướng bán kính - Vách trụ đồng chất có hệ số dẫn nhiệt: λ = const =const tw1 r1 tw2 tf2 2 r r2 III TRUYỀN NHIỆT HỖN HỢP QUA VÁCH TRỤ Vách trụ lớp - Phía tiếp xúc với mơi trường nóng có nhiệt độ tf1, hệ số toả nhiệt α1 - Phía ngồi tiếp xúc với mơi trường lạnh có nhiệt độ tf2, hệ số toả nhiệt α2 Gọi tw1 tw2 nhiệt độ bề mặt tiếp xúc với môi trường + Dòng nhiệt ứng với đơn vị chiều dài: Q q  ; (W /m ) l l III TRUYỀN NHIỆT HỖN HỢP QUA VÁCH TRỤ Vách trụ lớp Ở chế độ nhiệt ổn định, mật độ dịng nhiệt truyền từ mơi trường nóng tới vách bên (bằng đối lưu) dòng nhiệt truyền qua vách (bằng dẫn nhiệt) dòng nhiệt truyền từ mặt ngồi vách tới mơi trường lạnh (bằng đối lưu) Do ta có:  q   d  t  t   t t   q  d  ln  d   q   d  t  t l 1 w1 f1 w1  l 2 w2 w1 l 1 w1 w2 l 1 l f1  w2  t  t  q  d   d ln t  t  q  d    dasua  t  t  q d  f2  w2 f2 l III TRUYỀN NHIỆT HỖN HỢP QUA VÁCH TRỤ Vách trụ lớp Giải hệ ta có: q  l 1 d  ln   d 2 d  d t Đặt k  l 1 1 d  ln   d  d  d 1 2 kl: Gọi hệ số truyền nhiệt vách trụ Do : ql = kl(tf1 – tf2) Nhiệt lượng: Ql = l.ql = l.kl(tf1 – tf2) 2 f1  t f  III TRUYỀN NHIỆT HỖN HỢP QUA VÁCH TRỤ Vách trụ lớp Nhiệt trở truyền nhiệt vách trụ: 1 d R    ln  k  d  d  d l l 1 Nhiệt độ bề mặt vách là: t  t q  d w1 f1 l t w2 1  t q  d f2 l 2 2 III TRUYỀN NHIỆT HỖN HỢP QUA VÁCH TRỤ Vách trụ nhiều lớp Giả sử: - Vách trụ nhiều lớp (n lớp) với đường kính: d1, d2, d3…dn+1, - Vật liệu khác có hệ số dẫn nhiệt tương ứng: λ1, λ2… λn Chứng minh tương tự, ta có: ql = kl(tf1 – tf2) Trong đó: k  l 1 d  ln   d  d  d n i 1 i 1 1 i i n 1 kl: Gọi hệ số truyền nhiệt vách trụ nhiều lớp III TRUYỀN NHIỆT HỖN HỢP QUA VÁCH TRỤ Vách trụ nhiều lớp Nhiệt trở vách trụ nhiều lớp bằng: 1 d R    ln  k  d  d  d n l i 1 i 1 l 1 i i n 1 Nhiệt độ bề mặt vách trụ tiếp xúc với môi trường xác định: t w1 t q ; t  d f1 l 1 w  n 1  t q  d  f2 l n 1 ... - Giả thiết: Hai vật đục (2 vách) + Vách có: T1, A1, 1 (1-A1)Ehd2 Ehd1 + Vách có: T2, A2, ? ?2 T1 A1 E1 E1 (1-A2)Ehd1 Ehd2 T1 > T2 F1 = F2 = F E2 T2 A2 E2 III TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ GIỮA CÁC VẬT... lõm, có: F2, ? ?2, A2, T2 Nhận thấy: - Tồn dịng xạ hiệu dụng vật đến vật - Ngược lại, có phần dịng nhiệt xạ hiệu dụng vật rơi vật - Phần lại rơi thân vật (1-? ?21 ).Qhd2 ? ?21 .Qhd2 T1, 1 T2, ? ?2 III TRAO... tới vật Q   Q 21 21 - Dòng xạ hiệu dụng vật lên vật 2: Q  Q  Q  1 A   Q 1? ?2 hd1 1 21 hd2 - Dòng xạ hiệu dụng vật lên vật 1: Q 2? ??1 Q  hd 21 - Phần lại (1 – ? ?21 ) Qhd2 lại đập vào thân