Giáo trình QTTB hóa -Thực phẩm các quá trình truyền nhiệt

•Tính chất vật lý của chất tải nhiệt •Kích thước, hình dạng, trạng thái của bề mặt trao đổi nhiệt,… 1.2. Nhiệt đối lưu            Cm W Ftt Q T 2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7 1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU - Cơ sở Định luật cân bằng nhiệt - Tách phân tố thể tích dV=dxdydz từ dòng chảy - Chỉ xét trường hợp trao đổi nhiệt ổn định 1.2. Nhiệt đối lưu Lượng nhiệt đi vào và đi ra khỏi phân tố dV do các phần tử của môi trường chuyển động mang vào và mang ra Lượng nhiệt mang vào tính trên trục ox trong một đơn vị thời gian: dydzWtCQ xpx  Trong cùng thời gian đó, lượng nhiệt mang ra khổi mặt đối diện là:  dxdydzxWtCdydzWtCdQQQ xpxpxxdxx   QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8 1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU 1.2. Nhiệt đối lưu   dxdydzxtWxWtCdydzWtCdQQQ xxpxpxxdxx        Lượng nhiệt do đối lưu tích theo phương Ox tích lại trong phân tố dV:  dxdydzxtWxWtCQQdQ xxpxdxxx         Lượng nhiệt do đối lưu tích theo phương Oy tích lại trong phân tố dV:   dxdydzytWyWtCQQdQ yypydyyy          Lượng nhiệt do đối lưu tích theo phương Ox tích lại trong phân tố dV:  dxdydzztWzWtCQQdQ zzpzdzzz         QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9 1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU 1.2. Nhiệt đối lưu Lượng nhiệt toàn phần:       VdztWytWxtWzWyWxWtCdQ zyxzyxp                 zyx dQdQdQdQ  Với dòng liên tục có:       0        z W y W x W zyx  Nên: Vdz tWy tWx tWCdQ zyxp        QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10 1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU 1.2. Nhiệt đối lưu Với quá trình truyền nhiệt ổn định, lượng nhiệt ở trong nguyên tố dV là không đổi. Lượng nhiệt này phải bằng lượng nhiệt dẫn qua các mặt của dV là dQ:  dVtVdztWytWxtWCdQ zyxp 2         Phương trình vi phân cấp nhiệt đối lưu Fourier- Kirchhoff:      tatCtztWytWxtWC pzyxp 222           QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11 1.2.3. ĐỒNG DẠNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT 1.2. Nhiệt đối lưu Quá trình đối lưu nhiệt được mô tả bởi một hệ phương trình: -Phương trình vi phân cân bằng của Ơle -Phương trình dòng liên tục -Phương trình vi phân cấp nhiệt đối lưu Fourier- Kirchhoff Phải dựa vào lý thuyết đồng dạng để chuyển pt vi phân thành pt chuẩn số QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12 Chuẩn số Nuxen 1.2. Nhiệt đối lưu Trong quá trình truyền nhiệt ổn định, lượng nhiệt truyền do dẫn nhiệt phải bằng lượng nhiệt truyền do cấp nhiệt: Chuẩn số Nuxen đặc trưng cho quá trình cấp nhiệt trên bề mặt phân giới   dn dtttT   Đưa chuẩn số đồng dạng vào:   dn dt a aattaa l t aTta   l t ata a aaaa  Nuidema aa la   Nul  QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13 Chuẩn số Pecle 1.2. Nhiệt đối lưu Được rút ra từ phương trình Fourier- Kirchhoff Ngoài các chuẩn số trên, từ các pt chuyển động có các chuẩn số Eu, Fr, Re, nên có thể biểu diễn: 2 2 x tax twx    Ví dụ đối với trục ox: Pea wl  Rút ra: idema lwa lw  2 2 2 1 1 1   0RePr,,,, EuPeNuF QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14 1.2. Nhiệt đối lưu Kết hợp Pe và Nu có chuẩn số Prandtl đặc trưng cho tính chất vật lý của môi trường          pC awl a wl Pe  RePr Trong khi  RefEu  Kết hợp Re và Fr có chuẩn số Galile, Ga: 2 32 2 2Re.   glwl w glFrGa    Chuẩn số Gratkov, đặc trưng cho truyền nhiệt khi đối lưu tự nhiên: tglGr   2 3 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15 1.2. Nhiệt đối lưu Phương trình cấp nhiệt tổng quát được biểu diễn dưới dạng phương trình chuẩn số là    GrfNuEuPeNuF Pr,Re,'0RePr,,,,  Quá trình cấp nhiệt xảy ra trong dòng đối lưu tự nhiên:  GrfNu Pr,' Với các chất khí, chuẩn số Pr không biến đổi nhiều theo nhiệt độ:  Re3fNu Chuyển động cưỡng bức  Re3fNu Đối lưu tự nhiên nmk GrCNu PrReDạng cụ thể ở dạng hàm số mũ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16 1.2. Nhiệt đối lưu  nmk GrlC PrRe Hệ số được xác định theo quan hệ : Hệ số cấp nhiệt chỉ có thể được xác định với từng trường hợp cụ thể với mỗi thiết bị riêng biệt Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 2 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 3 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động tự do 1.2. Nhiệt đối lưu  nGrCNu  Pr Với chất lỏng có tính thấm ướt thành bình và có Pr > 0,7   25,0 23,0 Pr PrPr51,0     T GrNu Với ống truyền nhiệt nằm ngang PrT: chuẩn số Prandt tính theo nhiệt độ thành tiếp xúc với chất lỏng 25,047,0 GrNuVới không khí QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu 25,0 43,08,0 Pr PrPrRe021,0     T K GrNu  Lưu thể chuyển động trong ống thẳng Với chất khí εk: ảnh hưởng của L/d tới hệ số cấp nhiệt Re > 10.000 8,0ReKCNu  43,09,0 PrRe008,0 KNu 2300>Re > 10.000 25,0 4,043,033,0 Pr PrPrRe15,0     T d GrNu Re < 2300 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu     R d c 77,11 Lưu thể chuyển động trong ống cong: do tác dụng của lực ly tâm, độ xoáy sẽ tăng lên, cường độ trao đổi nhiệt tăng lên d: đường kính trong của ống xoắn R: Bán kính cong của vòng xoắn QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn: dtn: đường kính trong của ống ngoài 45,0 4,08,0 PrRe23,0     nt tn d dNu dnt: đường kính ngoài của ống trong QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn: dtn: đường kính trong của ống ngoài 45,0 4,08,0 PrRe23,0     nt tn d dNu dnt: đường kính ngoài của ống trong QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chảy ngang bên ngoài một ống: dn: đường kính ngoài của ống 4,0PrRenKCNu  C,n: Hệ số phụ thuộc Re 4,0PrRenK nd C   QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống: 25,0 33,065,0 Pr PrPrRe23,0     T Nu  Dãy ống thứ ba (thẳng hàng) 25,0 35,060,0 Pr PrPrRe41,0     T Nu  Dãy ống thứ ba (xen kẽ) 65,0Re21,0 Nu Chất khí 60,0Re37,0 Nu Chất khí QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống: Hệ số cấp nhiệt trung bình của toàn bộ chùm ống Khi số dãy ống khá lớn, có thể lấy gần đúng ... ... 321 332211   FFF FFF tb  3 tb QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống: Dtd: đường kính tương đương của khoảng không gian giữa các ống,m 23,08,06,0 PrRe16,1 tdDNu  23,08,06,0 PrRe16,1 td n Dd   dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt,m QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống có tấm chắn chia ngăn: Tấm chắn hình viên phân: C = 1,72 14,0 23,06,06,0 Pr PrPrRe     T tdDCNu 14,0 23,06,06,0 PrRe     T td n DdC   Tấm chắn hình vanh khan: C = 2,08 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chảy ngang bên ngoài chùm ống có gân: dn: đường kính ngoài của ống 4,0 14,054,0 PrRenn t h t dCNu       C,n: Hệ số phụ thuộc vào cách sắp xếp ống: xếp thẳng hàng C = 0,116 n= 0,72 xếp xen kẽ C = 0,25 n= 0,65 t: bước của gân,m h: khoảng cách giữa thành ống và cạnh ngoài của gân, m Công thức được sử dụng khi 3000< Re<25000 và 3<(d/t), 4,8 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chuyển động dọc theo tường phẳng: 25,0 43,08,0 PrRe037,0     nt tn d dNu Re>10.000 2,0Re032,0Nu Không khí 25,0 63,05,0 PrRe76,0     nt tn d dNu Re <100.000 5,0Re66,0Nu Không khí QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức 1.2. Nhiệt đối lưu Lưu thể chảy thành màng theo tường thẳng đứng: 31Re.Pr.01,0 GaNu  Re>2.000 3912 PrRe67,0 GaNu  Re <2.000  HNu Trong đó 2 22  gHGa Các đại lượng vật lý lấy theonhiệt độ trung bình của màng QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy 1.2. Nhiệt đối lưu   14,033,0 Re.Pr T mCNu   HNu Trong đó   2Re d Các đại lượng C, m phụ thuộc vào cấu tạo thiết bị  pCPr Thiết bị có vỏ bọc ngoài: C = 0,36; m = 0,67 Thiết bị có ống xoắn: C = 0,87; m = 0,62 Các đại lượng vật lý lấy theo nhiệt độ trung bình của chất lỏng trong thiết bị QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy 1.2. Nhiệt đối lưu   14,033,0 Re.Pr T mCNu   HNu Trong đó   2Re d Các đại lượng C, m phụ thuộc vào cấu tạo thiết bị  pCPr Thiết bị có vỏ bọc ngoài: C = 0,36; m = 0,67 Thiết bị có ống xoắn: C = 0,87; m = 0,62 Các đại lượng vật lý lấy theo nhiệt độ trung bình của chất lỏng trong thiết bị QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 18 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu Ngưng tụ giọt - Bề mặt thành thiết bị không thấm nước ngưng Ngưng tụ màng Hệ số cấp nhiệt trong ngưng tụ giọt nhỏ hơn ngưng tụ màng - Bề mặt thành thiết bị thấm ướt nước ngưng - Khi hơi ngưng tụ trên một thành ống thẳng đứng, nước ngưng tạo thành một màng chất lỏng chảy dọc từ trên xuống dưới, với chiều dày tăng dần QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu Ngưng tụ màng Lượng nhiệt truyền từ hơi đến thành thiết bị, khi qua lớp màng ngưng có thể xem như quá trình dẫn nhiệt: JFttQ Tbh ,  Theo phương trình tổng quát    FttQ Tbh  QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu    Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ phụ thuộc: -Chiều dày của lớp màng -Vận tốc và chiều chuyển động của hơi -Trạng thái bề mặt của nước ngưng tụ -Thành phần của hơi QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 21 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu CmWtH r tH gr  24 32 4 32 /,04,215,1     Hơi ngưng tụ bên ngoài thành ống thẳng đứng hoặc trên mặt tường thẳng đứng: Tbh ttt  Với hơi nước CmWtH rA  24 /,04,2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 22 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu CmWtd r td gr  24 32 4 32 /,28,172,0     Hơi ngưng tụ trên bề mặt ngoài của một ống nằm ngang: Tbh ttt  Với hơi nước CmWtd rA  24 /,28,1 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 23 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu Hơi ngưng tụ trên bề mặt ngoài của một chùm ống nằm ngang:  tbtd  - Dãy ống phía dưới sẽ bị phủ lên một lớp nước ngưng dày hơn các dãy ống phía trên, đồng thời vận tốc hơi cũng bị giảm từ dãy trên xuỗng dãy dưới do một phần hơi đã ngưng tụ. Hệ số cấp nhiệt giảm dần - Hệ số cấp nhiệt phụ thuộc vào số ống tại từng dãy: Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ trên một ống nằm ngang. Hệ số phụ thuộc cách sắp xếp ống và số ống trên mỗi dãy (tra đồ thị thực nghiệm) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 24 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 1.2. Nhiệt đối lưu Hơi ngưng tụ trong ống xoắn: - Hệ số cấp nhiệt tính gần đúng giống trường hợp ngưng tụ bên ngoài một ống nằm ngang - Nếu chiều dài ống xoắn lớn, nước ngưng tụ dồn xuống đoạn cuối ống và giảm áp suất hơi -> giảm hiệu quả truyền nhiệt - Tỉ số tới hạn l/d phụ thuộc vào áp suất hơi Hơi có chứa không khí: - Hệ số cấp nhiệt tính gần đúng giống trường hợp ngưng tụ bên ngoài một ống nằm ngang nhân thêm với hệ số điều chỉnh phụ thuộc : o Nồng độ không khí trong hơi o Vận tốc hơi o … QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 25 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi 1.2. Nhiệt đối lưu - Một chất lỏng bất kỳ chỉ có thể được đun nóng đến nhiệt độ bão hòa - Nếu tiếp tục cung cấp nhiệt thì chất lỏng sôi Quá trình sôi: -Tạo thành bọt hơi -Bọt tạo thành trên bề mặt đun nóng từ những điểm riêng biệt - Bề mặt đung nóng thấm ướt tốt thì hệ số cấp nhiệt…? -Bọt khí sau khi tách khỏi bề mặt đun nóng thì nổi lên trên và tăng thể tích QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 26 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi 1.2. Nhiệt đối lưuj - Đặc tính và cường độ quá trình sôi phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt đun nóng và chất lỏng sôi 2/, mWtq  -Sôi sủi bọt: hiệu số nhiệt độ tăng, tâm tạo bọt tăng, bọt hơi hình thành nhiều, làm tăng vận tốc chuyển động của chất lỏng, chất lỏng bị xáo trộn mạnh, hệ số cấp nhiệt…? -Sôi màng: bọt hơi kết dính với nhau tạo thành màng hơi trên bề mặt đun nóng, hệ số cấp nhiệt giảm đột ngột QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 27 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi 1.2. Nhiệt đối lưu -Sôi sủi bọt: hiệu số nhiệt độ tăng, tâm tạo bọt tăng, bọt hơi hình thành nhiều, làm tăng vận tốc chuyển động của chất lỏng, chất lỏng bị xáo trộn mạnh, hệ số cấp nhiệt…? CmWqpn  27,013,0 /,14,3 Với các chất lỏng không phải là nước CmWtpn  233,25,0 /,3,45 Hoặc n  435,022565,0                     n dd n dd n dd n dd C C       Với QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 28 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi 1.2. Nhiệt đối lưu 2/, mWtq  - Đặc tính và cường độ quá trình sôi phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt đun nóng và chất lỏng sôi -Sôi sủi bọt: hiệu số nhiệt độ tăng, tâm tạo bọt tăng, bọt hơi hình thành nhiều, làm tăng vận tốc chuyển động của chất lỏng, chất lỏng bị xáo trộn mạnh, hệ số cấp nhiệt…? CmWqpn  27,013,0 /,14,3 Hoặc CmWtpn  233,25,0 /,3,45 Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 2 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 3 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 1.3. Nhiệt bức xạ ? 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 ( = 0,4 – 400 m) - 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 4 1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.3. Nhiệt bức xạ Q QR QD QA DRA QQQQ  1 Q Q Q Q Q Q DRA AQ QA  RQ QR  Hệ số hấp thụ DQ QD  Hệ số khúc xạ Hệ số phản xạ A = 1 : Vật đen tuyệt đối D = 1 : Vật trong tuyệt đối R =1 : Vật trắng tuyệt đối D = 0 : Vật xám đục QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5 1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.3. Nhiệt bức xạ 2/mWdF dQE    tRHD EAEEE  1 Dòng bức xạ Q (W): Lượng nhiệt bức xạ phát ra từ vật với mọi bước sóng, trong một đơn vị thời gian Khả năng bức xạ: tổng của bức xạ bản thân (E) và bức xạ phản xạ (ER) Bức xạ đơn Lượng nhiệt bức xạ ứng với một khoảng chiều dài bước sóng hẹp - + d Năng suất bức xạ (E, W/m2): dòng nhiệt bức xạ phát trên một đơn vị diện tích bề mặt bức xạ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6 1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.3. Nhiệt bức xạ EEAEEq tA  . 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: tA EAEEEq . Nếu vật tỏa nhiệt vào môi trường:     11AqA EEHD Tổng quát: dấu + : vật nhận nhiệt từ môi trường dấu - : vật tảo nhiệt ra môi trường QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7 1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT 1.3. Nhiệt bức xạ ĐỊNH LUẬT PLANCK 1 2 5 1 0    T C e CE    Khả năng bức xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối 215 1 10.374,0 WmC  KmC   2122 10.4388,1      0 5 1 0 00 12    d e CdEE T C 015 max 1max 2 max    T CeE T C o     QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8 1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT 1.3. Nhiệt bức xạ Định luật dịch chuyển Wien KmT  3max 10.898,2 Năng lượng bức xạ tại nhiệt độ thường gặp trong kỹ thuật tập trung trong khoảng 0,8 – 100 m    TETE ,, 0   Độ đen (hệ số bức xạ) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9 1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT 1.3. Nhiệt bức xạ ĐỊNH LUẬT STEFAN- BOLTZMANN 4 0 4 00 100    TCTKE Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối 2  42800 7,510. Km WKC   4280 10.7,5 Km WK   Lấy tích phân phương trình của định luật Planck Định luật Stefan – Bolztmann cũng đúng với vật xám 44 00 100100      TCTCEE  QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10 1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT 1.3. Nhiệt bức xạ ĐỊNH LUẬT KIRCHNOFF  T T T EA E 0 )( )(   2 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 EA E 0 )( )(     QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11 1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN 1.3. Nhiệt bức xạ 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 12 1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN 1.3. Nhiệt bức xạ 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 11 0 2121 2112 21 100100100100111 TTCTT AA C AAAA EAEAq                1111 2 2 2 2 1 1 1 1 21 AqA E AqA Eq QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13 1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN 1.3. Nhiệt bức xạ Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể bao trùm nhau           4 2 4 1 2121 100100 TTCq Với       111 22 1 1 0 21 AF F A CC F1: Bề mặt vật thể bị bao bọc F2: Bề mặt vật thể bao bọc QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14 1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN 1.3. Nhiệt bức xạ Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể đặt bất kỳ trong không gian WTTCQ ,100100 21 4 2 4 1 21            Với 0 21 21 C AAC  1-2: hệ số góc trung bình được xác định theo công thức hoặc theo sốliệu thực nghiệm 21 21 21 1 2 coscos dFdFrF F   QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15 1.3.4. BỨC XẠ NHIỆT CỦA CÁC CHẤT KHÍ 1.3. Nhiệt bức xạ - 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 tianhiệt 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: WTCQ K ,100 4 0     Độ đen của khí Nhiệt độ của khí QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16 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 17 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 18 Thí nghiệm bức xạ Four containers were filled with warm water. Which container would have the warmest water after ten minutes? Shiny metal Dull metal Dull black Shiny black The __________ container would be the warmest after ten minutes because its shiny surface reflects heat _______ back into the container so less is lost. The ________ container would be the coolest because it is the best at _______ heat radiation. shiny metal radiation dull black emitting QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19 Thí nghiệm hấp thụ Four containers were placed equidistant from a heater. Which container would have the warmest water after ten minutes? The __________ container would be the warmest after ten minutes because its surface absorbs heat _______ the best. The _________ container would be the coolest because it is the poorest at __________ heat radiation. dull black radiation shiny metal absorbing Shiny metal Dull metal Dull black Shiny black QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20 Câu hỏi về Đối lưu 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 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”. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 21 Câu hỏi vể Bức xạ Tại sao tại những nước có khí hậu nóng, nhà ở thường được sơn trắng? Màu trắng phản xạ lại các tia bức xạ và giữ cho ngôi nhà mát hơn. Tại sao lại dùng những tấm chăn sáng bóngbằng kim loại để quấn cho các vạn động viên chạy Maraton sau khi hộ về đích? Vật liệu kim loại sáng bóng phản xạ các tia bức xạ từ bản thân vận động viên, làm cho họ cảm thấy ấm hơn. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 22 1. Những phương thức nào không phải là phương thức truyền nhiệt? A. Bức xạ B. Cô lập C. Đối lưu D. Dẫn nhiệt QTT