Phần 2: Các quá trình truyền nhiệt | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Phần 2
Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân
Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm
Các phương thức truyền nhiệt
• Dẫn nhiệt/Conduction: Quá trình truyền nhiệt từ phần tử
này đến phần tử khác của vật chất khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau
• Đối lưu/Convection: Quá trình truyền nhiệt do các phần
tử chất lỏng hoặc chất khí đổi chỗ cho nhau, do chúng có
nhiệt độ khác nhau hoặc là do bơm, quạt, khuấy trộn,…
• Bức xạ/Radiation: Qua trình truyền nhiệt dưới dạng các
sóng điện từ. Nhiệt năng biến thành các tia bức xạ rồi
truyền đi, khi gặp vật thể nào đó thì một phần năng lượng
bức xạ đố được biến thành nhiệt năng, một phần phản xạ
lại, và một phần xuyên qua vật thể QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 2 1.3. Nhiệt bức xạ
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Trao đổi nhiệt bức xạ: là một dạng trao đổi nhiệt không cần có sự tiếp xúc trực
tiếp giữa các vật tham gia quá trình trao đổi nhiệt
Bức xạ và hấp thụ nhiệt của vật thể:
- Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 độ K đều có khả năng bức xạ năng lượng
- Các tia có hiệu ứng nhiệt cao nhất: tia hồng ngoại và ánh sáng
trắng (λ = 0,4 – 400 µm)
- Các tia nhiệt truyền trong không gian và đập vào một vật khác, ?
bị hấp thụ và biến thành năng lượng nhiệt
- Quá tình trao đổi nhiệt bức xạ gồm hai lần biến đổi năng lượng:
- biến đổi nội năng thành sóng điện từ (vật phát)
- biến đổi từ sóng điện từ thành nhiệt năng (vật thu)
- Hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ phụ thuộc: bản chất, trạng thái
bề mặt, hình dạng, kích thước,… của vật phát và vật thu) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3 1.3. Nhiệt bức xạ
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN Q QR
Q = Q +Q +Q A R D Q Q Q
A + R + D =1 Q Q Q QA Q Q D A = A Hệ số hấp thụ Q
A = 1 : Vật đen tuyệt đối
QR = R Hệ số phản xạ
D = 1 : Vật trong tuyệt đối Q Q
R =1 : Vật trắng tuyệt đối D = D Hệ số khúc xạ Q D = 0 : Vật xám đục QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4 1.3. Nhiệt bức xạ
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
Bức xạ đơn Lượng nhiệt bức xạ ứng với một khoảng chiều dài bước sóng hẹp λ - λ + dλ
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
Khả năng bức xạ: tổng của bức xạ bản thân (E) và bức xạ phản xạ (ER) E
= E + E = 1− A E HD R ( ) t QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5 1.3. Nhiệt bức xạ
1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Bức xạ hiệu quả (q, W/m2): lượng nhiệt 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
Nếu vật tỏa nhiệt vào môi trường:
q = E − E = E − A E . A t Tổng quát: E ⎛ 1 ⎞
dấu + : vật nhận nhiệt từ môi E trường HD = ± q⎜ −1⎟ A ⎝ A ⎠
dấu - : vật tảo nhiệt ra môi trường QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6 1.3. Nhiệt bức xạ
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT ĐỊNH LUẬT PLANCK 5 − C 15 − 2 1 E λ C = 37 , 0 4 10 . Wm 1 0 = λ C2 C , 1 4388 10 . 2 = −12 m2°K T Khả năng bức xạ eλ −1 đơn sắc của vật đen tuyệt đối ∞ ∞ −5 C λ E E d d 0 = ∫ 0λ λ = ∫ 1 λ C2 0 0 λ e T −1 C2 ∂Eoλ λ T C ma x 1 = e + −1 = 0 ∂λ 5 λ λ λ T = max ma x QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7 1.3. Nhiệt bức xạ
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT λ T 89 , 2 8.10 max = −3 m°K
Định luật dịch chuyển Wien
Năng lượng bức xạ tại nhiệt độ thường gặp trong kỹ thuật tập trung trong khoảng 0,8 – 100µm
E(λ,T )= E ε 0(λ,T )
Độ đen (hệ số bức xạ) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8 1.3. Nhiệt bức xạ 2
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 m (°K )4 W −8 K = 7 , 5 10 . 0 2 m (°K )4
Định luật Stefan – Bolztmann cũng đúng với vật xám 4 4 ⎛ T ⎞ ⎛ T ⎞ E = εE εC C 0 = 0 ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ 100 100 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9 1.3. Nhiệt bức xạ 2
1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT
ĐỊNH LUẬT KIRCHNOFF
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(T) = E0(T) Aλ(T) Với bức xạ đơn sắc
Eλ(T) = Eλ0(T) Aλ(T) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10 1.3. Nhiệt bức xạ
1.3.3. BỨC XẠ 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,…
Khảo sát trong trường hợp trao đổi nhiệt giữa các vật trong môi
trường trong suốt (không hấp thụ, không phản xạ hoặc tán xạ):
- Bức xạ giữa hai vật thể đặt song song nhau
- Bức xạ giữa hai vật thể bao bọc nhau
- Bức xạ giữa hai vật thể đặt bất kỳ trong không gian QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11 1.3. Nhiệt bức xạ
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 1 HD HD2 1 2 ⎡ E ⎛ 1 ⎞⎤ ⎡ E ⎛ 1 ⎞⎤ q q q 1 2 = 1 1 2 1 − ⎢ − 1 − ⎥ − ⎢ − 2 − ⎥ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎣ A A A A 1 ⎝ 1 ⎠⎦ ⎣ 2 ⎝ 2 ⎠⎦ A E A E C ⎛ 4 4 T T ⎞ ⎛ 4 4 T T ⎞ 2 1 − 1 2 0 q ⎜ ⎡ 1 ⎤
⎡ 2 ⎤ ⎟ C ⎜⎡ 1 ⎤ ⎡ 2 ⎤ ⎟ 1 2 = = − = 1 2 − − A A A A 1 1 ⎜ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ 100 100 ⎟ − ⎜ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ 100 100 ⎟ 1 + 2 − 1 2 + −1⎝ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎠ ⎝ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎠ A A 1 1 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12 1.3. Nhiệt bức xạ
1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể bao trùm nhau ⎛ 4 4 T T ⎞ q C 1 2 = ⎜ ⎡ 1 ⎤ ⎡ 2 ⎤ 1 2 − ⎟ − − ⎜ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ 100 100 ⎟ ⎝ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎠ Với C C
F1: Bề mặt vật thể bị bao bọc 1 2 = 0 − 1 F ⎛ 1 ⎞ + 1 1 ⎜⎜ − ⎟⎟ A F A
F2: Bề mặt vật thể bao bọc 1 2 ⎝ 2 ⎠ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13 1.3. Nhiệt bức xạ
1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN
Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể đặt bất kỳ trong không gian ⎛ ⎡ T 4 ⎤ ⎡ T 4 ⎞ Q = C 1 2 ⎜ ⎤ − ⎟ ⋅ϕ , W 1−2 ⎜ 10 ⎢ 0⎥ 10 ⎢ 0 1−2 ⎥ ⎟ ⎝ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎠ Với A A 1 2 C1 2 = − C π 0
ϕ1-2: hệ số góc trung bình được xác định theo công thức hoặc theo số liệu thực nghiệm cosϕ cos 1 ϕ2 ϕ = dF dF 1−2 1 2 ∫ ∫ r 1 F 2 F QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14 1.3. Nhiệt bức xạ
1.3.4. BỨC XẠ NHIỆT CỦA CÁC CHẤT KHÍ
- Cường độ bức xạ của chất lỏng gần bằng cường độ bức xạ của chất rắn, nhưng
thường bị bỏ qua do nó lớn không đáng kể so với toàn bộ quá trình trao đổi nhiệt đối lưu
- Phần lớn các chất khí (một nguyên tử và hai nguyên tử) là chất trong suốt với các tia nhiệt
- Các chất khí khác (CO2, SO2, H2O, NH3,…) có tính chất bức xạ và hấp thụ các tia
nhiệt trong khoảng bước sóng nhất định
- Quá trình hấp thụ và bức xạ nhiệt xảy ra trong toàn bộ thể tích khí
- Có thể coi bức xạ khí cũng tuân theo định luật Stefan-Bolztmann: ⎡ T 4 Q = ε C ⎤ , W K 0 10 ⎢ 0⎥ ⎣ ⎦ Độ đen của Nhiệt độ khí của khí QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15
Phương thức tuyền nhiệt thứ ba
Tại sao nhiệt lượng có thể
truyền từ mặt trời đến trái đất? ? QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16 Bức xạ
Bức xạ nhiệt truyền theo đường thẳng Đúng/sai
Bức xạ nhiệt có thể truyền trong chân không Đúng/Sai
Bức xạ nhiệt truyền qua các hạt Đúng/Sai
Bức xạ nhiệt truyền với tốc độ ánh sáng Đúng/Sai QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17 Thí nghiệm bức xạ
Four containers were fil ed with warm water. Which
container would have the warmest water after ten minutes? Dul metal Shiny black Shiny metal Dul black The ___ shi _ n __ y __ me _ t _
al container would be the warmest after ten
minutes because its shiny surface reflects heat __ ra _ di_ a_ ti_ o_ n back
into the container so less is lost. The __ d _ ul_ l _ b _ l _ a _ ck container
would be the coolest because it is the best at __ e __ mit _ ti _ n _ g heat radiation. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 18 Thí nghiệm hấp thụ
Four containers were placed equidistant from a heater. Which
container would have the warmest water after ten minutes? Dul metal Shiny black Shiny metal Dul black The ___ d _ u _ l _ _ bl _ a __
ck container would be the warmest after ten
minutes because its surface absorbs heat __ ra _ d _ i _ ati_ o_ n the best. The ___ shi _ n _ y ___ met_ a lco
ntainer would be the coolest because it is the poorest at ___ a _ b _ so__ rbi_ n_ g_ heat radiation. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19 Câu hỏi về Đối lưu
Tại sao khí nóng bay lên cao,khí lạnh chìm xuống dưới
Khí lạnh có mật độ cao hơn khí nóng, nên
khí lạnh ‘nặng hơn”.
Tại sao thường bố trí thiết bị đung nóng
bên dưới thùng đựng nước nóng?
Nước nóng đi lên trên.
Khi thiết bị đun nước làm việc, nước nóng đi lên phía
trên, thùng đựng nước nóng luôn chứa đầy nước nóng QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20