Các quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Cường độ của quá trình bức xạ nhiệt không chỉ phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ mà còn phụ thuộc đáng kể vào mức nhiệt độ của quá trình. Tài liệu trắc nghiệm môn Hóa học 1 giúp bạn tham khảo, ôn tập và đạt kết quả cao. Mời bạn đọc đón xem!

6 3 lượt tải Tải xuống
Chia sẻ Báo cáo tài liệu

Môn: Quá trình và thiết bị CNTP 2

Trường: Đại học Bách Khoa Hà Nội

Thông tin:

18 trang 1 tháng trước

Tác giả:

Profile Lê Na
CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
TRAO ĐỔI NHIỆT
1
Giảng viên: Đặng Thị Tuyết Ngân
Bộ môn: QTTB Công nghệ Hóa & TP
Email: ngan.dangthituyet@hust.edu.vn
2
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
- Mọi vật có T> 0K đều có khả năng bức xạ năng lượng (do qt
dao động điện từ bên trong các nguyên tử, phân tử vật chất)
- Các dao động điện từ truyền đi trong không gian theo mọi
phương (các sóng điện từ)
- Đặc điểm: gắn liền với sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này
sang dạng khác
- Chú ý:
- một vật không chỉ luôn luôn phát ra năng lượng bức xạ mà
còn luôn luôn nhận năng lượng bức xạ từ vật khác đến nó
- Cường độ của quá trình bức xạ nhiệt không chỉ phụ thuộc
vào độ chênh nhiệt độ mà còn phụ thuộc đáng kể vào mức
nhiệt độ của quá trình
- Có thể tiến hành ngay cả trong môi trường chân không
1.3. BỨC XẠ NHIỆT
3
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Q Q
R
Q
D
Q
A
DRA
QQQQ ++=
1=++
Q
Q
Q
Q
Q
Q
DRA
A
Q
Q
A
=
R
Q
Q
R
=
Hệ số (khả năng) hấp thụ
D
Q
Q
D
=
Hệ số (khả năng) khúc xạ
Hệ số (khả năng) phản xạ
A = 1 : Vật đen tuyệt đối
D = 1 : Vật trong tuyệt đối
R =1 : Vật trắng tuyệt đối
D = 0 : Vật xám (A+R=1)
DRA ++=1
4
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
2
/mW
dF
dQ
E =
Dòng bức xạ Q (W): Lượng nhiệt bức xạ phát ra từ vật với mọi bước sóng,
trong một đơn vị thời gian
Bức xạ hiệu dụng (Khả năng bức xạ): tổng của bức xạ bản thân (E) và phần
bức xạ phản xạ của tia tới (E
R
)
Dòng bức xạ đơn: Lượng nhiệt bức xạ ứng với một khoảng chiều dài bước
sóng hẹp l - l + dl
Năng suất bức xạ (E, W/m
2
) : dòng nhiệt bức xạ phát trên một đơn vị diện
tích bề mặt bức xạ
5
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
EEAEEq
tA
−=−= .
Bức xạ hiệu quả (q, W/m
2
): lượng nhiệt vật trao đổi với môi trường xung
quanh tính trên một m
2
Nếu vật khảo sát có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ của môi trường:
A
Eq
E
t
+
=
( )
A
Eq
AEEEAE
tHD
+
−+=+−= )1(1
)1
1
( −+=
A
q
A
E
E
HD
Do đó:
6
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
tA
EAEEEq .−=−=
Nếu vật tỏa nhiệt vào môi trường:
−= 1
1
A
q
A
E
E
HD
Tổng quát:
dấu + : vật nhận nhiệt từ môi
trường
dấu - : vật toả nhiệt ra môi
trường
Rút ra:
)1
1
( −−=
A
q
A
E
E
HD
7
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT
ĐỊNH LUẬT PLANCK
1
2
5
1
0
−
=
−
T
C
e
C
E
l
l
l
Khả năng bức xạ
đơn sắc của vật đen
tuyệt đối
215
1
10.374,0 WmC
−
=
mKC
12
2
10.4388,1
−
=
−
−
==
0
5
1
0
00
1
2
l
l
l
l
l
d
e
C
dEE
T
C
01
5
max
1
max
2
max
=−+=
=
T
C
e
E
T
C
o
ll
l
ll
l
8
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT
Định luật dịch chuyển Wien
mKT
3
max
10.898,2
−
=
l
Năng lượng bức xạ tại nhiệt độ thường gặp trong kỹ thuật tập trung trong khoảng 0,8 – 100mm
( ) ( )
TETE ,,
0
ll
=
Độ đen (hệ số bức xạ)
9
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT
ĐỊNH LUẬT STEFAN- BOLTZMANN
4
0
4
00
100
==
T
CTKE
Hằng số bức xạ của
vật đen tuyệt đối
42
8
00
7,510.
Km
W
KC ==
42
8
0
10.7,5
Km
W
K
−
=
Lấy tích phân phương trình của định luật Planck
Định luật Stefan – Bolztmann cũng đúng với vật xám
44
00
100100
=
==
T
C
T
CEE
10
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT
ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF
( )
T
T
T
E
A
E
0
)(
)(
=
Tỉ số giữa khả năng bức xạ và khả năng hấp thụ năng lượng của vật
xám chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn bằng khả năng bức xạ của vật
đen tuyệt đối ở cùng một nhiệt độ
Với bức xạ đơn sắc
( )
T
T
T
E
A
E
0
)(
)(
l
l
l
=
Ở điều kiện cân bằng nhiệt động, hệ số bức xạ và hệ số hấp thụ có trị số
bằng nhau.
Do đó:
A=
11
1.3.3. BỨC XẠ NHIỆT GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
Nhiệt lượng trao đổi giữa các vật phụ thuộc vào:
-Bản chất vật lý
-Hình dạng
-Kích thước
-Trạng thái bề mặt
-Nhiệt độ
-Vị trí tương đối của các vật,…
-Đặc tính môi trường của chúng
Khảo sát quá trình TĐN bức xạ giữa các vật rắn khi không có sự tham gia của
môi trường (mt giữa chúng trong suốt)
12
1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể phẳng đặt song song nhau
Lượng nhiệt trao đổi giữa hai vật thể bằng hiệu giữa bức xạ hiệu dụng của vật thể
1 và vật thể 2 và bằng lượng nhiệt do vật thể 1 mất đi, chính là lượng nhiệt mà vật
thể 2 nhận được
212121
qqEEq
HDHD
==−=
−
−
=
−
−+
=
−+
−
=
−−
4
2
4
1
21
4
2
4
1
21
0
2121
2112
21
100100100100
1
11
TT
C
TT
AA
C
AAAA
EAEA
q
−+−
−−=
−
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
21
A
q
A
E
A
q
A
E
q
13
1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể bao trùm nhau
2
4
2
4
1
2121
/,
100100
mW
TT
Cq
−
=
−−
Với
−+
=
−
1
11
22
1
1
0
21
AF
F
A
C
C
Nếu vật 2 là vật đen tuyệt đối (A
2
= 1) hoặc 𝐹
2
≫ 𝐹
1
:
W
TT
FC
TT
FACQ ,
100100
.
100100
..
4
2
4
1
1
4
2
4
1
1012
−
=
−
=
14
1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể đặt bất kỳ trong không gian
W
TT
CQ ,
100100
21
4
2
4
1
21 −−
−
=
Với
0
21
21
C
AA
C
=
−
1-2
: hệ số góc trung bình được xác định theo công thức hoặc theo số
liệu thực nghiệm
21
21
21
1 2
coscos
dFdF
r
F F
=
−
15
1.3.4. BỨC XẠ NHIỆT CỦA CÁC CHẤT KHÍ
⚫ Các chất khí cũng có khả năng bức xạ và hấp thụ năng lượng
⚫ Khả năng này khác nhau đối với từng loại khí:
- Không khí sạch, khô và các chất một nguyên tử và hai nguyên
tử: khả năng hấp thụ và bức xạ rất bé → trong suốt đối với BXN
- Các chất khí 3 và nhiều nguyên tử: khả năng hấp thụ và bức xạ
tương đối lớn
16
SO SÁNH BỨC XẠ NHIỆT CỦA CÁC CHẤT KHÍ VÀ CHẤT RẮN
Chất khí Chất rắn
-
Bức xạ và hấp thụ năng lượng
có tính chọn lọc
-
Bức xạ và hấp thụ năng lượng
xảy ra trong toàn bộ thể tích
khối khí
-
Sự phụ thuộc vào T của khả
năng bức xạ của các khí khác
nhau là không giống nhau
(𝑬~𝑻
𝟑÷𝟑,𝟓
)
-
Bức xạ và hấp thụ năng lượng
trong toàn bộ chiều dài bước
sóng
-
Bức xạ và hấp thụ năng lượng
chỉ xảy ra trên bề mặt vật rắn
-
𝑬~𝑻
𝟒
17
TÍNH BỨC XẠ NHIỆT CỦA CHẤT KHÍ
W
T
CQ
K
,
100
4
0
=
Độ đen của
khí
Nhiệt độ
của khí
Sự phụ thuộc vào T của khả năng bức xạ của các khí khác nhau là không
giống nhau
Trong kỹ thuật: coi bức xạ khí cũng tuân theo định luật Stefan-Bolztmann
18
BỨC XẠ NHIỆT GIỮA CHẤT KHÍ VÀ BỀ MẶT VẬT THỂ
- Đối với khí 1 và 2 nguyên tử: năng lượng bức xạ rất nhỏ
- Đối với các khí có 3 nguyên tử trở lên thì khả năng bức xạ và hấp thụ
tương đối lớn
| 1/18
| | Tải xuống

Có thể bạn quan tâm:

Preview text:

CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Giảng viên: Đặng Thị Tuyết Ngân
Bộ môn: QTTB Công nghệ Hóa & TP
Email: ngan.dangthituyet@hust.edu.vn 1 1.3. BỨC XẠ NHIỆT
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
- Mọi vật có T> 0K đều có khả năng bức xạ năng lượng (do qt
dao động điện từ bên trong các nguyên tử, phân tử vật chất)
- Các dao động điện từ truyền đi trong không gian theo mọi
phương (các sóng điện từ)
- Đặc điểm: gắn liền với sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác - Chú ý:
- một vật không chỉ luôn luôn phát ra năng lượng bức xạ mà
còn luôn luôn nhận năng lượng bức xạ từ vật khác đến nó
- Cường độ của quá trình bức xạ nhiệt không chỉ phụ thuộc
vào độ chênh nhiệt độ mà còn phụ thuộc đáng kể vào mức
nhiệt độ của quá trình 2
- Có thể tiến hành ngay cả trong môi trường chân không
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN Q QR
Q = Q + Q + Q A R D
QA + QR + QD =1 Q Q Q QA Q Q D A = A
Hệ số (khả năng) hấp thụ Q
A = 1 : Vật đen tuyệt đối QR = R
Hệ số (khả năng) phản xạ
D = 1 : Vật trong tuyệt đối Q
R =1 : Vật trắng tuyệt đối QD = D
Hệ số (khả năng) khúc xạ Q D = 0 : Vật xám (A+R=1)
1 = A + R + D 3
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Dòng bức xạ Q (W): Lượng nhiệt bức xạ phát ra từ vật với mọi bước sóng,
trong một đơn vị thời gian
Dòng bức xạ đơn: Lượng nhiệt bức xạ ứng với một khoảng chiều dài bước sóng hẹp l - l + dl
Năng suất bức xạ (E, W/m2) : dòng nhiệt bức xạ phát trên một đơn vị diện tích bề mặt bức xạ dQ 2 E = W / m dF
Bức xạ hiệu dụng (Khả năng bức xạ): tổng của bức xạ bản thân (E) và phần
bức xạ phản xạ của tia tới (E ) R E = E + E = 1− + HD R ( A)E E t 4
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Bức xạ hiệu quả (q, W/m2): lượng nhiệt vật trao đổi với môi trường xung quanh tính trên một m2
Nếu vật khảo sát có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ của môi trường:
q = E − E = A E . − E A t q + E E = t A + E = 1− + = + 1 ( − ) HD ( A) q E E E E A t A E 1 Do đó: E = + q( − ) 1 HD A A 5
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Nếu vật tỏa nhiệt vào môi trường:
q = E − E = E − A E . A t Rút ra: E 1 E = − q( − ) 1 HD A A Tổng quát: E  1 
dấu + : vật nhận nhiệt từ môi E =  q trường HD  −  1 AA
dấu - : vật toả nhiệt ra môi trường 6
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT ĐỊNH LUẬT PLANCK 5 − C l 15 − 2 = 1 C 3 , 0 74 10 . Wm E = 1 0l C2 − l = T e −1 C 12 , 1 10 . 4388 mK 2 Khả năng bức xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối   −5 C l E = E l d l d 0  = 0l  1C2 0 0 l e T −1 C2 Eol l T C max 1 = e + −1 = 0 l 5l l= T l max max 7
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT l T 3 10 . 898 , 2 − = mK max
Định luật dịch chuyển Wien
Năng lượng bức xạ tại nhiệt độ thường gặp trong kỹ thuật tập trung trong khoảng 0,8 – 100mm
E(l,T ) = E  l 0 ( ,T )
Độ đen (hệ số bức xạ) 8
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT
ĐỊNH LUẬT STEFAN- BOLTZMANN
Lấy tích phân phương trình của định luật Planck 4  T  4
E = K T = C   0 0 0 100  Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối W 8 C = K 10 . = 7 , 5 0 0 2 4 m K − W 8 K = 10 . 7 , 5 0 2 4 m K
Định luật Stefan – Bolztmann cũng đúng với vật xám 4 4  T   T E = E  = C    = C  0 0 100  100  9
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT
ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF
Tỉ số giữa khả năng bức xạ và khả năng hấp thụ năng lượng của vật
xám chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn bằng khả năng bức xạ của vật
đen tuyệt đối ở cùng một nhiệt độ E E (T ) = E l(T ) Với bức xạ đơn sắc = E 0(T ) l0(T ) A A (T ) l(T ) Do đó:  = A
Ở điều kiện cân bằng nhiệt động, hệ số bức xạ và hệ số hấp thụ có trị số bằng nhau. 10
1.3.3. BỨC XẠ NHIỆT GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
Nhiệt lượng trao đổi giữa các vật phụ thuộc vào: -Bản chất vật lý -Hình dạng -Kích thước -Trạng thái bề mặt -Nhiệt độ
-Vị trí tương đối của các vật,…
-Đặc tính môi trường của chúng
Khảo sát quá trình TĐN bức xạ giữa các vật rắn khi không có sự tham gia của
môi trường (mt giữa chúng trong suốt) 11
1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể phẳng đặt song song nhau
Lượng nhiệt trao đổi giữa hai vật thể bằng hiệu giữa bức xạ hiệu dụng của vật thể
1 và vật thể 2 và bằng lượng nhiệt do vật thể 1 mất đi, chính là lượng nhiệt mà vật thể 2 nhận được q = E − E = q = q 1−2 HD1 HD 2 1 2  E  1   E  1  q = 1 2 − q q 1 2  − 1 −  1  −  + 2 −  1   A A A A 1  1   2  2  A E −  4 4   4 4  q = A E C T T T T 2 1 1 2 = 0   1   2  −  =   1   2  C −  − 1 2
A + A − A A 1 1       − 1 2       100 100 100 100 1 2 1 2 + −1            A A 1 2 12
1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể bao trùm nhau 4 4
  T   T   1 2 2 q = C  − ,  W / m 1−2 1−2      100   100      Với C = C0 − 1 2 1 F  1  + 1  −  1 A F A 1 2  2 
Nếu vật 2 là vật đen tuyệt đối (A = 1) hoặc 𝐹 2 2 ≫ 𝐹1: 4 4 4 4
  T   T     T   T  
Q = C .A F . 1 2  −  = C F . 1 2  − ,  W 12 0 1           100   100 1    100   100        13
1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể đặt bất kỳ trong không gian 4 4
  T   T   Q = C 1 2  −  , W 1−2     −  10  0 10  0 1 2     Với A A 1 2 C = 1−2 C  0
 : hệ số góc trung bình được xác định theo công thức hoặc theo số 1-2 liệu thực nghiệm cos cos 1 2  = dF dF −   1 2 1 2 r 1 F 2 F 14
1.3.4. BỨC XẠ NHIỆT CỦA CÁC CHẤT KHÍ
⚫ Các chất khí cũng có khả năng bức xạ và hấp thụ năng lượng
⚫ Khả năng này khác nhau đối với từng loại khí:
- Không khí sạch, khô và các chất một nguyên tử và hai nguyên
tử: khả năng hấp thụ và bức xạ rất bé → trong suốt đối với BXN
- Các chất khí 3 và nhiều nguyên tử: khả năng hấp thụ và bức xạ tương đối lớn 15
SO SÁNH BỨC XẠ NHIỆT CỦA CÁC CHẤT KHÍ VÀ CHẤT RẮN Chất khí Chất rắn
- Bức xạ và hấp thụ năng lượng
- Bức xạ và hấp thụ năng lượng có tính chọn lọc
trong toàn bộ chiều dài bước
- Bức xạ và hấp thụ năng lượng sóng
xảy ra trong toàn bộ thể tích
- Bức xạ và hấp thụ năng lượng khối khí
chỉ xảy ra trên bề mặt vật rắn
- Sự phụ thuộc vào T của khả - 𝑬~𝑻𝟒
năng bức xạ của các khí khác nhau là không giống nhau (𝑬~𝑻𝟑÷𝟑,𝟓) 16
TÍNH BỨC XẠ NHIỆT CỦA CHẤT KHÍ
Sự phụ thuộc vào T của khả năng bức xạ của các khí khác nhau là không giống nhau
Trong kỹ thuật: coi bức xạ khí cũng tuân theo định luật Stefan-Bolztmann 4  T Q =  C , W K 0   1  00 Độ đen của Nhiệt độ khí của khí 17
BỨC XẠ NHIỆT GIỮA CHẤT KHÍ VÀ BỀ MẶT VẬT THỂ
- Đối với khí 1 và 2 nguyên tử: năng lượng bức xạ rất nhỏ
- Đối với các khí có 3 nguyên tử trở lên thì khả năng bức xạ và hấp thụ tương đối lớn 18