131 Do chuyển động quay quanh trục và quanh mặt trời với trục quay nghiêng 66,5 0 nhiệt độ môi trờng và mặt đất luôn thay đổi tuần hoàn theo thời gian , nh là tổng hợp 2 dao động nhiệt có chu kỳ n = 24h và N = 365,25. 24h, có dạng nh H11.6.3d 11.6.4. Thu và sử dụng năng lợng Mặt trời 11.6.4.1. Hiệu ứng lồng kính Hiêụ ứng lồng kính là hiện tợng tích lũy năng lợng bức xạ mặt trời bên dới 1 tấm kính. Độ trong đơn sắc D của tấm kính và một số chất khí (nh CO 2 , NO x ) có đặc tính giảm dần khi tăng bức sóng Bức xạ mặt trời phát từ nhiệt độ T 0 rất cao, có năng lợng tập trung quanh bớc sóng mo = 0,5 àm, xuyên qua kính (với D mo = 1) gần nh hoàn toàn. Bức xạ thứ cấp phát từ vật thu, có nhiệt độ T khoảng 370K, năng lợng tập trung quanh m = 78 àm hầu nh đợc giữ lại bên dới tấm kính, do bức xạ (vào - ra) > 0, đợc tích kũy bên dới tấm kính. 11.6.4.2 Thu và sữ dụng năng lợng Mặt trời Để thu bức xạ nhiệt mặt trời một cách hiệu quả, ngời ta thờng áp dụng hiệu ứng lồng kính. Hộp thu nh H 11.6.4.b, gồm mặt thu Ft có A lớn, bên dới Ft là chất cần gia nhiệt, xung quanh là lớp cách nhiệt C, phía trên đậy 1 tấm kính K. Tấm kính này tạo ra hiệu ứng lồng kính để tích lũy nhiệt trong hộp, đồng thời cản bớt bức xạ và đối lu từ Ft ra ngoài môt trờng. Để tăng nhiệt độ mặt thu Ft, ngời ta có thể dùng gơng phản xạ, là những mặt bóng có R lớn để tập trung năng lợng bức xạ đến Ft. Gơng phẳng xạ có thể là gơng phẳng (a), gơng nón (b), gơng Parabol trụ (c) hoặc Parabol tròn xoay (d) (xem H 11.6.4.c). Để tăng hiệu quả thu nhiệt thực tế, ngời ta cần dùng các thiết bị phụ để điều chỉnh cho trục gơng luôn song song tia nắng. Ngời ta sử dụng nhiệt mặt trời để sấy sởi, đun nấu, chạy máy lạnh hấp thụ, sản xuất đIện năng, cungcấp nhiệt cho tiêu dùng hoặc sản xuất. Năng lợng mặt trời là loại năng lợng không có chất thải, có sãn mọi nơi và rẻ tiền, với dung lợng lớn và lâu dàI, sẽ là nguồn năng lợng đợc sử dụng rộng rãi trong tơng lai. 132 Chơng 12. truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt 12.1. trao đổi nhiệt phức hợp Trao đổi nhiệt phức hợp là hiện tợng TĐN trong đó có hai hoặc cả 3 phơng thức cơ bản cùng xẩy ra. Đó là hiện tợng trao đổi nhiệt giữa vật rắn và các môi trờng khác nhau mà nó tiếp xúc. 12.1.1. TĐN phức hợp giữa vật rắn và các môi trờng Nếu vật rắn tiếp xúc 4 môi trờng có đặc trng pga khác nhau: rắn đ, lỏng (l), khí (k) và chân không hoặc môI trờng các hạt dới mức phân tử (c) tại 4 bề mặt F r , F l , F k và F c thì: - Trong V chỉ xẩy ra hiện tợng dẫn nhiệt đơn thuần (q ) và thay đổi nội năng (Vu). - Trên F r chỉ xẩy ra hiện tợng dẫn nhiệt giữa F r và môi trờng rắn (q r ). - Trên F l chỉ xẩy ra hiện tợng toả nhiệt giữa F l và chất lỏng (q l ), vì trong toả nhiệt đã bao gồm dẫn nhiệt và bức xạ vào chất lỏng,đợc lớp chất lỏng gần vách hấp thụ và mang đi theo dòng đối lu. - Trên F l chỉ xẩy ra hiện tợng TĐN bức xạ giữa F c và môI trờng (q ). - Chỉ trên F k mới xẩy ra đồng thời 2 hiện tợng toả nhiệt (q k ) và TĐN bức xạ (q k ) với chất khí. Dòng nhiệt trên mỗi m 2 mặt F k là: q k = q k + q k (12-1) Nếu tính theo nhiệt độ và độ đen T w , w của mặt F k và T k , k = 1 của chất khí thì q k sẽ có dạng: q k = k (T W - T k ) + W 0 (T W 4 - T k 4 ), (W/m 2 ), (12-2) với: = k + W 0 kWƯ 4 k 4 WƯ TT TT , (W/m 2 K),đợc gọi là hệ số toả nhiệt phức hợp. 12.1.2. Cân bằng nhiệt cho hệ TĐN phức hợp Nếu qui ớc dòng nhiệt q vào thệ V lầ dơng (+), ra khỏi hệ là (-) thì phơng trình cân bằng nhiệt tổng quát cho hệ V bất kỳ sẽ có dạng: = .i QuV (j), với i F ii dFqQ , (W) (12-3) Nếu dòng nhiệt q không đổi trên F i và có chiều nh hình (12.1.1) thì phơng trình cân bằng nhiệt cho hệ V sẽ có dạng: [ ] +++= kk0k0llcrr0p F)qq(FqFqFq)TT(VC , Khi vật V ổn định , u = 0, phơng trình CBN có dạng Q i = 0. Nếu hệ vật V là chất lỏng hay chất khí chứa trong V thì phơng trình CBN có dạng: = i QiV với I = i - i 0 là biến thiên entanpi của chất lỏng hay khí trong V, sau khoảng thời gian . Nếu chất lỏng trong V không chuyển pha và coi mỗi dòng nhiệt q i = const đợc tính tại nhiệt độ trung bình của mặt F 1 là )TT( 2 1 T 0w1w = thì phơng trình CBN có dạng: [] + + + = kk0k0llcrr0p F)qq(FqFqFq)TT(VC (12-5) Nhờ phơng trình này có thể tìm đợc đại lợng cha biệt nào đó, chẳng hạn nhiệt độ T hoặc thời gian khi có thể xác định tất cả các đại lợng còn lại. 12.2. Truyền nhiệt 12.2.1. Truyền nhiệt và phơng trình can bằng nhiệt khi ổn định nhiệt Truyền nhiệt theo nghĩa hẹp là tên gọi của hiện tơng TĐN phức hopự giữa 2 chất lỏng có nhiệt độ khác nhau, thông qua bề mặt ngăn cách của một vật rắn. Hiện tợng này thờng hay gặp trong thực tế và trong các thiết bị TĐN. Tuỳ theo đặc trng pha của hai chất lỏng, các quá trình TĐN trên mặt W 1 , W 2 của vật rắn có thể bao gòm 1 hoặc 2 phơng thức đối lu và bức xạ, còn trong vách chỉ xẩy ra dẫn nhiệt đơn thuần nh mô tả trên hình 12.2.1. Khi vách ngăn ổn định nhiệt thì hệ phơng trình mô tả lợng nhiệt Q truyền từ chất lỏng nóng (1) đến chất lỏng lạnh (20 sẽ có dạng: Q = Q 1w1 = Q + Q 2w2 (12-6) 12.2.2. Truyền nhiệt qua vách phẳng 12.2.2.1. Vách phẳng có cánh 1. Bài toán: Tính lợng nhiệt truyền từ chất lỏng nóng có nhiệt độ t f1 đến chất lỏng lạnh có nhiệt độ t f2 thông qua vách phẳng dày c , có mặt F 1 = hl phẳng, mặt F 2 gồm n cánh có các thông số hình học (h 1 , h 2 , l) nh hình 12.2.2.1., với các hệ số toả nhiệt phức hợp tại F 1 , F 2 là 1 , 2 cho trớc. 2. Lời giải: Coi nhiệt lợng Q dẫn qua vách là nhiệt lợng qua vách phẳng có chiều dày tơng đơng = 0 + )hh( h2 nl 21 + , coi nnhiệt độ t w2 (cha biết) phân bố đều trên mặt F 2 = [ ] L)hh(l4n)hh(nh 2 21 2 21 ++ , thì phơng trình cân bằng nhiệt sẽ có dạng: 22f2W212w1w11W1f1 F)tt(F)tt(F)tt(Q = == (12-7) Đây là hệ phơng trình bậc 1 của 3 ẩn số t w1, t w1 và có nghiệm Q là: 22111 2f1f F 1 FF 1 )tt( Q + + = (12-8) Nếu tính theo 1m 2 bề mặt thì dòng nhiệt q 1 sẽ bằng: )tt(k F F 11 )tt( F Q q 2f1fc1 2 1 21 2f1f 1 1 = + + == (12-9) trong đó c21 2 21 2 1 2 )hh( h n )hh(l4 h n 1 F F =+= đợc gọi là hệ só làm cánh, thờng );51( c ữ = 1 21 c1 11 k + + = , (w/m 2 K) là hệ số truyền nhiệt qua vách phẳng có cánh , phụ thuộc vào các thông số: 1 , 2 , c , , . Vì luôn có k < min ( 1 , 2 ) nên để tăng k, ngời ta u tiên làm cánh về phía có bé, thờng là phía chất khí. 12.2.2.2. Vách phẳng không có cánh 1. Bài toán truyền nhiệt vách phẳng 1 lớp không có cánh là trờng hợp đặc biệt của bài toán (12.2.2) nêu trên, khi số cánh n = 0. Lúc đó = 0 , F 1 = F 2 = hL, c = 1, lợng nhiệt truyền qua vách là: . 131 Do chuyển động quay quanh trục và quanh mặt trời với trục quay nghiêng 66,5 0 nhiệt độ môi trờng và mặt đất luôn thay đổi tuần hoàn theo thời gian , nh là tổng hợp 2 dao động nhiệt có. bức xạ mặt trời bên dới 1 tấm kính. Độ trong đơn sắc D của tấm kính và một số chất khí (nh CO 2 , NO x ) có đặc tính giảm dần khi tăng bức sóng Bức xạ mặt trời phát từ nhiệt độ T 0 . chất khí. Dòng nhiệt trên mỗi m 2 mặt F k là: q k = q k + q k (12-1) Nếu tính theo nhiệt độ và độ đen T w , w của mặt F k và T k , k = 1 của chất khí thì q k sẽ có dạng: