tiểu luận truyền nhiệt bức xạ qua tấm phẳng

Đề tài “ Truyền nhiệt qua bức xạ qua tấm phẳng” giúp cho sinh viên có những kiến thức ban đầu về cơ chế hoạt động của bức xạ mặt trời đến trái đất cũng như khả năng hấp thụ bức xạ mặt tr

Bộ công thương Trường Đại học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh

Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh

Tp Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2009

Phụ lục

Lời nói đầu 2

Phần I Cơ Sở Lý Thuyết 3

1.1 Bức xạ nhiệt 3

1.2 Độ phát xạ E, độ phản xạ R 4

1.3 Hệ số cách nhiệt của vật liệu R 5

1.4 Hệ số dẫn nhiệt K 6

Phần II : Truyền Nhiệt Bức Xạ Qua Tấm Phẳng, Hấp Thụ Bức Xạ Nhiệt 2.1 Sự phản xạ bức xạ mặt trời 8

2.2 Hấp thụ bức xạ bởi tấm kính 11

2.3 Các đạc tính quang học của hệ thống tấm nắp 12

2.4 Hệ số truyền dẫn bức xạ khuyếch tán 14

2.5 Hệ số truyền dẫn và hệ số hấp thụ của sản phẩm 15

2.6 Sự phụ thuộc góc ( ) 16

2.7 Sự phụ thuộc quang phổ của hệ số truyền dẫn 17

2.8 Những ảnh hưởng của các lớp bề mặt lên hệ số truyền dẫn 20

2.9 Hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời 21

2.10 Bức xạ hấp thụ trung bỉnh hằng tháng 22

2.11 Hệ số hấp thụ trong phòng 26

Tổng kết 28

Tài liệu tham khảo 29

Lời nói đầu

Thế giới ngày nay của chúng ta đang đối đầu với nhiều thách thức trong đó vấn đề an ninh năng lương là một vấn đề nóng mà chúng ta đang từng bước tìm cách tháo dỡ Khi mà các nguồn tài nguyên năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá…, đang bước vào giai đoạn khó khăn, cạn kiệt trong khai thác, cũng như vấn đề ô nhiễm toàn cầu ngày càng trở nên nhức nhối thì vấn đề được đặt ra là:

“Trong tương lai gần con người sống và sử dụng nguồn năng lượng nào thay thế” Một trong những giải pháp hữu hiệu nhất đảm bảo cả về chất lượng môi trường, và cuộc sống đó là năng lượng mặt trời Từ những ứng dụng thực tiễn ban đầu đến nay, con người bước đầu đã nắm được phần cơ sở của việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong quá trình thay thế các nguồn năng lượng khác Tuy nhiên, từ thực tế

sử dụng đặt ra nhiều vấn đề mà chúng ta vẫn còn rất băn khoăn trong cách sử dụng

đó là: “Chi phí và hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời” Tuy nhiên, từ những thành công ban đầu đó chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng vào tương lai của ngành năng lương thế giới.

Đề tài “ Truyền nhiệt qua bức xạ qua tấm phẳng” giúp cho sinh viên có những kiến thức ban đầu về cơ chế hoạt động của bức xạ mặt trời đến trái đất cũng như khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời các bề mặt vật liệu trong cuộc sống của chúng ta.

Từ đó nắm bắt những tiến bộ mới nhất sự phát triển của ngành năng lượng thế giới

và các ứng dụng hữu ích của năng lượng mặt trời trong thực tế cuộc sống.

Nhóm sinh viên thực hiện

TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ QUA TẤM PHẲNG

PHẦN I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Bức xạ nhiệt.

Bức xạ nhiệt là sự truyền nhiệt (năng lượng nhiệt) dưới dạng sóng điện từ (tiahồng ngoại - Infrared rays) xuyên qua khoảng không Sóng bức xạ, giống như sóngradio nằm giữa sóng ánh sáng và sóng radar (có quang phổ từ 3-15 micron) Vì vậy,khi nói đến sóng bức xạ, ta chỉ đề cập đến tia hồng ngoại Mọi bề mặt đều phát xạ,chẳng hạn như dàn nóng máy lạnh, bếp, mái sàn, vách và ngay cả các vật liệu cách

nhiệt thông thường, đều phát xạ ở các cấp độ khác nhau Nhiệt bức xạ không nhìn

thấy được và không có nhiệt độ, thực chất là một dạng truyền năng lượng Chỉ khi

tia bức xạ đập vào một bề mặt, năng lượng bức xạ mới sinh ra nhiệt làm cho bề mặtnày nóng lên

Khái niệm này có thể hình dung rõ hơn qua ví dụ sau: vào ngày nắng, nhiệt bức

xạ từ mặt trời chiếu vào xe hơi, xuyên qua lớp kính làm cho kính nóng lên Ngoài

ra, mặt trời cũng làm cho phần vỏ xe nóng lên, bức xạ tiếp vào bên trong xe Bức xạnhiệt từ mặt trời, đập vào vách và mái nhà Do đó các vật liệu này sẽ hấp thụ nhiệtlượng đó và nóng lên Nhiệt này truyền vào mặt trong của vách và mái nhà thôngqua quá trình dẫn nhiệt, tiếp theo đó là bức xạ tiếp tục vào không gian bên trong.Các bề mặt này tiếp tục phát xạ làm cho làn da con người hứng chịu bức xạ nhiệtxuyên qua không khí Chính bức xạ thứ cấp này là nguyên nhân gây ra sự “nónghầm” trong nhà, đem lại cảm giác nóng bức khó chịu cho con người

- Chiều dày của vật liệu không ảnh hưởng đến độ phát xạ, chỉ có bề mặt của vậtliệu mới là yếu tố quyết định đến độ phát xạ của vật liệu.

1.2.2 Độ phản xạ R (Reflectance/Reflectivity): thể hiện khả năng phản chiếunăng lượng bức xạ trên bề mặt, chống sự xâm nhập của tia bức xạ

- Độ phát xạ và phản xạ có mối liên hệ tương quan lẫn nhau, vật liêu có độ phát xạthấp thì có độ phản xạ cao

Độ phát xạ (E) và độ phản xạ (R) của một số vật liệu

1.3 Hệ số cách nhiệt của vật liệu R

Hệ số cách nhiệt hay còn gọi là "R" Hệ số cách nhiệt của một vật liệu được tính

bằng thương giữa độ dày (T) với hệ số dẫn nhiệt của vật liệu đó Đơn vị

tính: m 2 o K/W Vật liệu cách nhiệt thường được phân loại dựa vào “Hệ số cách

nhiệt”, thể hiện khả năng làm suy giảm dòng nhiệt lượng truyền qua vật liệu

Ngoài ra hệ số cách nhiệt R-value của vật liệu cách nhiệt được còn được thể hiệnbằng “R-number” trong điều kiện điện trở nhiệt trên đơn vị chiều dày inch Với độ

dày bất kỳ, hệ số cách nhiệt R tổng cộng bằng tỷ lệ R/inch nhân với độ dày.Hệ số

cách nhiệt R càng cao thì khả năng cách nhiệt của vật liệu càng tốt

Ví dụ: xenlulo có hệ số cách nhiệt R-3.7 / inch, vật liệu cách nhiệt có độ dày 6-inch

=> R tổng cộng = R-22.2 (6 x 3.7)

Hệ số cách nhiệt R của bất kỳ vật liệu nào đó luôn thể hiện được khả năng dẫn nhiệtcủa vật liệu đó.

Ví dụ: tính hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt có R-3.5/inch, ta có kết quả sau:

Đơn vị tính là W/m 0 K Ngoài ra l còn được tính theo đơn vị Anh: 1 Btu.in/ft 2 h

Sự truyền dẫn, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời bởi những phầnkhác nhau của bộ thu năng lượng mặt trời rất quan trọng trong việc xác định hiệuquả của một bộ thu Hệ số truyền dẫn, hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ là những hàmcủa bức xạ tới, bề dày, chỉ số khúc xạ và hệ số cản trở của vật liệu Thông thường,

chỉ số khúc xạ và hiệu suất cản trở k của vật liệu tấm nắp là những hàm của bước

sóng bức xạ Tuy nhiên, mọi đặc tính ban đầu sẽ được giả định là độc lập với bướcsóng ánh sáng Một ví dụ tốt nhất là đối với thuỷ tinh Vật liệu phổ biến làm tấmnắp của bộ thu năng lượng mặt trời Nhiều vật liệu tấm nắp có những đặc tính quanghọc quan trọng thay đổi với bước sóng và quang phổ phụ thuộc vào những đặc tínhđược xem xét ở phần sau Tuy nhiên, sự đới lưu phân cực là quan trọng như bức xạtới phân cực từng phần khi nó đi qua tấm nắp bộ thu

2.1 Sự phản xạ bức xạ mặt trời.

Bức xạ mặt trời qua một tấm vật liệu bao gồm các thành phần: Phản xạ ( reflection), truyền dẫn (transmission) và hấp thụ (absorption)

2 1 2

2 1

tan ( )tan ( )

Các thành phần của tia bức xạ truyền tới một bề mặt

Đối với những bề mặt Fresnel nhẵn mịn ta nhận được những biểu thức về sự phản

xạ không phân cực đi từ môi trường 1 với chỉ số khúc xạ n 1 đến môi trường 2 với chỉ số khúc xạ n 2:

(5.1.3)

Quá trình truyền của tia bức xạ

Thành phần phản xạ Tia tới

Thành phần khúc xạ

Ở đây 1 và 2 là những góc tới và góc khúc xạ Phương trình về 5.1.1 thể hiện

những thành phần vuông của bức xạ không phân cực, r, và phương trình 5.1.2 biểudiễn thành phần song song của bức xạ không phân cực, rP ( song song và vuônggóc với bề mặt ngang được xác định bởi tia tới và bề mặt thường) Phương trình

5.1.3 chỉ ra sự phản xạ của bức xạ không phân cực như trung bình của hai thành

phần Góc 1và 2 quan hệ với hệ số khúc xạ định luật Snell.

 Định luật Snell: Công thức đặc trưng của hiện tượng khúc xạ, được gọi là định luật Snell hay định luật khúc xạ ánh sáng có dạng:

 n1 là chiết suất môi trường 1

 n2 là chiết suất môi trường 2

Tỉ số 1

2

n

n không thay đổi, phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường được gọi

là chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) đối với môitrường chứa tia tới (môi trường 1) Nếu tỉ số này lớn hơn 1 thì góc khúc xạ nhỏ hơngóc tới, ta nói môi trường 2 chiết quang hơn môi trường 1 Ngược lại nếu tỉ số nàynhỏ hơn 1 thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới, ta nói môi trường 2 chiết quang kém môitrường 1

Trong các ứng dụng năng lượng mặt trời, sự truyền dẫn năng lượng mặt trời quamột tấm hoặc màng của vật liệu có hai bề mặt chung trên tấm nắp gây ra sự phản xạthất thoát Bức xạ mặt trời phản xạ tại bề mặt chung là khác nhau đối với mỗi thành

2 0

(1 )

n n

(5.1.7)

Quá trình truyền của tia bức xạ qua lớp phủ không hấp thụ

Một cách chính xác kết quả mở rộng khi thành phần phân cực là song song.Thành phần rvà rP là không bằng nhau ( tại cùng tia tới) và hệ số truyền dẫn củabức xạ không phân cực ban đầu là hệ số truyền dẫn trung bình của hai thành phần

(5.1.8)

Ở đây giới hạn dưới r là một nhắc nhở chỉ sự phản xạ được xem xét

Đối với hệ thống có N tấm nắp tất cả cùng vật liệu, cùng cách thức sản xuất

(5.1.9)

Ở đây ký hiệu a chỉ sự hấp thụ tổn thất là được xem xét Đối với thuỷ tinh, giá trị

của K thay đổi từ xấp xỉ 4 m-1 đối với thuỷ tinh “ Water white” ( là loại thuỷ tinh sẽxuất hiện màu trắng khi được quan sát ở bên cạnh bên) đến xấp xỉ 32 m-1 đối vớithuỷ tinh chất lượng thấp ( hóa xanh khi được quan sát ở cạnh bên)

Hấp thụ bức xạ nhiệt bởi tấm kính phẳng

2.3 Các đặc tính quang học của hệ thống tấm nắp

Hệ số truyền dẫn, hệ số phản xạ, hệ số hấp thụ của một tấm nắp đơn, cho phép cả

sự phản xạ và hấp thụ mất mát, có thể được xác định bằng chùm tia kỹ thuật tương

tự như được sử dụng để nhận được phương trình 5.1.7 Đối với thành phần vuông góc không phân cực, hệ số truyền dẫn , hệ số phản xạ , và hệ số hấp thụ của

2

1

1 1

1 1

a

r

r r

r r

r r

Phương trình hệ số truyền dẫn một tấm nắp của bộ thu có thể được đơn giản hóabằng những chú ý ở cuối phần thật ngữ trong phương trình 5.3.1 ( nó tương đươngvới thành phần vuông góc không phân cực) là duy nhất, bởi vì a ít khi nhỏ hơn 0.9

và r là bậc 0.1 đối với nhưng tấm nắp bộ thu thực tế Hệ số truyền dẫn của một tấmnắp đơn trở thành

  ar(5.3.4)

Đây là mối liên hệ thoã đáng đối với bộ thu năng lượng mặt trời với vật liệu vàgóc tấm nắp thực tế

Hệ số hấp thụ năng lượng mặt trời có thể xấp xỉ bằng

  1  a (5.3.5)

2 1

1 1

1 2 1

Chú ý rằng hệ số phản xạ từ tấm nắp phụ thuộc vào tấm nắp chắn bức xạ.

2.4 Hệ số truyền dẫn bức xạ khuyếch tán

Bức xạ mặt trời tới một bộ thu chỉ bao gồm bức xạ mặt trời phân tán từ bầu trời

và có thể bức xạ mặt trời phản xạ từ mặt đất Chủ yếu, số lượng bức xạ ngang qua

hệ thống tấm nắp có thể được tính toán bằng cách tích phân bức xạ truyền lên toàn

bộ các góc Tuy nhiên các góc phân bố của bức xạ thì thường không biết

Đối với bức xạ tới đẳng hướng (với một góc độc lập), phép lấy tích phân có thểđược thực hiện Sự trình bày các kết quả có thể được đơn giản hóa bằng cách xácđịnh một góc tương đương với tia bức xạ có cùng hệ số truyền dẫn như đối với bức

xạ khuyếch tán Đối với phạm vi rộng của các điều kiện gặp nhau của các tấm thu

úng dụng năng lượng mặt trời, tương đương về cơ bản là 600 Hay nói cách khác,tia bức xạ tới tại một góc 600 có cùng hệ số truyền dẫn như bức xạ khuyếch tán đẳnghướng.

Bức xạ khuyếch tán gần mặt trời có thể được xem xét như có cùng góc tới nhưtia bức xạ Bức xạ khuyếch tán từ đường chân trời thường là sự bao gồm rất ít đốivới lượng tổng bức xạ như số lượng có thể đạt được khi có cùng góc tới như bức xạkhuyếch tán đẳng hướng

Các bộ thu năng lượng mặt trời thường được định hướng do đó chúng có thể thuđược năng lượng bức xạ từ cả bầu trời và mặt đất Nếu như bức xạ khuếch tán từbầu trời và bức xạ khuếch tán từ mặt đất là đẳng hướng, hệ số truyền dẫn lên hệthống tấm phẳng có thể được tìm ra bằng cách tích phân hệ số truyền dẫn của tia lêngóc tới thích hợp Việc tính tích phân này được thực hiện bởi Brandemuehl vàBeckman (1980); Mọi bức xạ khuếch tán có thể được xử lý như đối với một góc tớitương đương và mọi bức xạ phản xạ từ mặt đất có thể được xem xét như các góc tớitương đương khác Khu vực được che bao gồm phạm vi rộng của tấm phẳng Hìnhdưới đây chỉ ra đường cong phía trên là của một tấm bao polyflorinated ethylenekhông có sự hấp thụ bên trong, đường cong bên dưới thể hiện một tấm bao hai lớpvới chỉ số khúc xạ trong khoảng 1.34 và 1.526 và chiều dài cản trở ít hơm 0.0524nằm trong vùng che phủ

Dường thẳng hình ở trên là bức xạ phản xạ từ mặt đất bởi

e 90 0.5788  0.0026932 (5.4.1)

và bức xạ khuyếch tán là

e 59.7 0.1388 0.0014972 (5.5.2)

Góc hiệu quả của tán xạ đẳng hướng và bức xạ phản xạ từ mặt đất lên mặt phẳng nghiêng

2.5 Hệ số truyền dẫn và hệ số hấp thụ của sản phẩm

Bức xạ mặt trời ngang qua hệ thống tấm nắp và tia tới đến mặt phẳng, một phầnphản xạ quay lại hệ thống tấm nắp Tuy nhiên, tất cả bức xạ không bị mất đi, màmột phần phản xạ trở lại mặt phẳng

Sự hấp thụ bức xạ mặt trời bởi tấm hấp thụ dưới hệ thống lớp kính

Trạng thái này được miêu tả ở hình trên, với  là hệ số truyền dẫn của hệ thống

tấm nắp tại giá trị góc mong muốn và  là góc hấp thụ của tấm hấp thụ.

Với năng lượng tới,  được hấp thụ bởi tấm hấp thụ và 1 là năng lượng phản

xạ lại hệ thống tấm nắp Sự phản xạ từ tấm hấp thụ được giả định là khuếch tán, vìthế một phần khúc xạ 1 đập trực tiếp vào tấm kính được khuếch tán và

1  d được phản xạ trở lại tấm hấp thụ Giá trịd đề cập đến hệ số phản xạ của

hệ thống tấm nắp đối với tia bức xạ khuyếch tán tới từ mặt đáy và có thể được ướclượng từ phương trình 5.3.6 với những giá trị khác nhau ở khoảng giữaa và  tại

giá trị góc bằng 600 Nếu hệ thống kính bao gồm hai tấm nắp ( hoặc hơn) với vậtliệu không giống nhau, d sẽ khác nhau ( không đáng kể ) từ hệ số phản xạkhuyếch tán của bức xạ mặt trời tới Sự phản xạ phức tạp của bức xạ khuyếch liêntục do đó một phần của năng lượng tới sau cùng được hấp thụ là

Ở đây: Hệ số hấp thụ  của tấm phẳng hấp thụ đối với bức xạ bị phản xạ có thể

là hệ số hấp thụ bức xạ khuyếch tán Ngoài ra, bức xạ bị phản xạ có thể không hoàntoàn là khuyếch tán, và có thể bị phân cực từng phần Tuy nhiên, sai sót trong kếtquả này là không đáng kể do đó sự khác biệt giữa và ( ) là rất nhỏ.

Giá trị của ( ) trong ví dụ gần bằng 1.01 lần sản phẩm của  là lần Đó là sự xấp

xỉ hợp lý đối với mọi tấm thu năng lượng mặt trời trong thực tế Do đó

()=1.01 (5.5.2)

2.6 Sự phụ thuộc góc ( )

Để đơn giản trong việc xác định () như là một hàm góc tới , Klein(1974-1979)

đã phân tích mối quan hệ giữa  /  n và  dựa trên góc phụ thuộc  và góc

phụ thuộc  đối với tấm nắp thuỷ tinh có KL=0.04 Kết quả là không chính xác đối

với KL và có thể áp dụng cho mọi tấm nắp có chỉ số khúc xạ gần với thuỷ tinh loạinày Kết quả đạt được bằng cách sử dụng đồ thị thực chất là giống nhau đối với cáckết quả đạt được bằng góc tới độc lập là  và 

Đường cong /  n đối với hệ thống từ 1 đến 4 tấm nắp

2.7 Sự phụ thuộc quang phổ của hệ số truyền dẫn.

Hầu hết mọi môi trường truyền dẫn một cách có chọn lọc, hệ số truyền là mộthàm của bước sóng vốn gắn liền bức xạ tới Thuỷ tinh, vật liệu thông thường được

sử dụng làm vật liêu tấm nắp trong các bộ thu năng lượng mặt trời, có thể hấp thụ ítquang phổ năng lượng mặt trời nếu thành phần Fe2O3 có trong nó thấp Nếu thànhphần Fe2O3 của nó cao, nó sẽ hấp thụ thành phần hồng ngoại của quang phổ mặttrời Hệ số truyền của một vài loại thuỷ tinh với thành phần kim loai thay đổi đượcchỉ ra trong biểu đồ bên dưới Nó chỉ ra một cách rõ ràng rằng “ water white” (thànhphần kim loại thấp) có hệ số truyền dẫn tốt nhất; các loại thủy tinh với hàm lượng

Fe2O3 có màu lục ở bên ngoài và hệ số truyền dẫn tương đối thấp Chú ý rằng sựtruyền phát không phải là một hàm hiêu quả của bước sóng quang phổ mặt trờingoại trừ đối với “thuỷ tinh hấp thụ nhiệt” Thuỷ tinh về cơ bản trở nên không trongsuốt tại những bước sóng dài hơn xấp xỉ 3µm và có thể xem như là trong suốt vớibước sóng bức xạ dài hơn,

Một vài tấm nắp bộ thu năng lượng mặt trời có thể có các hệ số truyền dẫn lớn hơnbước sóng phụ thuộc đối với thuỷ tinh có hàm lượng kim loại thấp, và có thể rất cần

để đạt được hệ số truyền dẫn đối với sự bức xạ đơn sắc và sau đó là toàn bộ quang