Giáo trình vật lý: Khái niệm bức xạ và mức độ bức xạ trong không khí phần 5 pptx

45












Hệ thống cung cấp nớc nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt nam cũng nh trên
thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh
nhận nhiệt, với nhiệt độ nớc sử dụng 60
o
C thì hiệu suất của bộ thu khoảng
45%, còn nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp.
Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT
Trong số những ứng dụng của
NLMT thì làm lạnh và điều hoà
không khí là ứng dụng hấp dẫn
nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất
thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh
lớn nhất, đặc biệt là ở những vùng
xa xôi héo lánh thuộc các nớc
đang phát triển không có lới điện
quốc gia và giá nhiên liệu quá đắt

so với thu nhập trung bình của
ngời dân. Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành
điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic) là thuận tiện nhất, nhng trong giai
đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao. Ngoài ra các hệ thống lạnh
còn đợc sử dụng NLMT dới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại

Hình 3.10. Tủ lạnh dùng pin mặt trời


46
thiết bị này ngày càng đợc
ứng dụng nhiều trong thực
tế, tuy nhiên hiện nay các
hệ thống này vẫn cha đợc
thơng mại hóa và sử dụng
rộng rãi vì giá thành còn rất
cao và hơn nữa các bộ thu
dùng trong các hệ thống
này chủ yếu là bộ thu phẳng
với hiệu suất còn thấp (dới
45%) nên diện tích lắp đặt
bộ thu cần rất lớn cha phù hợp với yêu cầu thực tế. ở Việt Nam cũng đã có
một số nhà khoa học nghiên cứu tối u hoá bộ thu năng lợng mặt trời kiểu hộp
phẳng mỏng cố định có gơng phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh, với
loại bộ thu này có thể tạo đợc nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ,
nhng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng.

3.2 . Hớng nghiên cứu về thiết bị sử dụng năng lợng mặt trời
Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lợng ngày
càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ nh than đá, dầu mỏ, khí

thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trớc
nguy cơ thiếu hụt năng lợng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng
lợng mới nh năng lợng hạt nhân, năng lợng địa nhiệt, năng lợng gió và
năng lợng mặt trời là một trong những hớng quan trọng trong kế hoạch phát
triển năng lợng, không những đối với những nớc phát triển mà ngay cả với
những nớc đang phát triển.
Năng lợng mặt trời (NLMT)- nguồn năng lợng sạch và tiềm tàng nhất
- đang đợc loài ngời thực sự đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng
cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng l
ợng mặt trời và triển khai ứng dụng
chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự.
Việt Nam là nớc có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8 Bắc đến
23 Bắc, nằm trong khu vực có cờng độ bức xạ mặt trời tơng đối cao, với trị

Hình 3.11 Hệ thống lạnh hấp thụ dùng NLMT


47
số tổng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm
2
.năm (4,2 -7,3GJ/m
2
.năm) do đó việc sử
dụng NLMT ở nớc ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Thiết bị sử dụng năng
lợng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin
mặt trời, hệ thống nấu cơm có gơng phản xạ và đặc biệt là hệ thống cung cấp
nớc nóng kiểu tấm phẳng hay kiểu ống có cánh nhận nhiệt. Nhng nhìn chung
các thiết bị này giá thành còn cao, hiệu suất còn thấp nên cha đợc ngời dân
sử dụng rộng rãi. Hơn nữa, do đặc điểm phân tán và sự phụ thuộc vào các mùa
trong năm của NLMT, ví dụ: mùa đông thì cần nớc nóng nhng NLMT ít, còn

mùa hè không cần nớc nóng thì nhiều NLMT do đó các thiết bị sử dụng
NLMT cha có tính thuyết phục. Sự mâu thuẫn đó đòi hỏi chúng ta cần chuyển
hớng nghiên cứu dùng NLMT vào các mục đích khác thiết thực hơn nh:
chng cất nớc dùng NLMT, dùng NLMT chạy các động cơ nhiệt (động cơ
Stirling), nghiên cứu hệ thống điều hòa không khí dùng NLMT Hệ thống lạnh
hấp thụ sử dụng NLMT là một đề tài hấp dẫn có tính thời sự đã và đang đợc
nhiều nhà khoa học trong và ngoài nớc nghiên cứu, nhng vấn đề sử dụng bộ
thu NLMT nào cho hiệu quả và thực tế nhất thì vẫn còn là một đề tài cần phải
nghiên cứu, vì với các bộ thu kiểu tấm phẳng hiện nay nếu sử dụng ở nhiệt độ
cao 80 ữ 100
o
C thì hiệu suất rất thấp (<45%) do đó cần có một mặt bằng rất lớn
để lắp đặt bộ thu cho một hệ thống điều hòa không khí bình thờng.
Vấn đề sử dụng NLMT đã đợc các nhà khoa học trên thế giới và trong
nớc quan tâm. Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn, nhng tỷ trọng năng
lợng đợc sản xuất từ NLMT trong tổng năng lợng tiêu thụ của thế giới vẫn
còn khiêm tốn. Nguyên nhân chính cha thể thơng mại hóa các thiết bị và
công nghệ sử dụng NLMT là do còn tồn tại một số hạn chế lớn cha đợc giải
quyết :
- Giá thành thiết bị còn cao: vì hầu hết các nớc đang phát triển và kém phát
triển là những nớc có tiềm năng rất lớn về NLMT nhng để nghiên cứu và
ứng dụng NLMT lại đòi hỏi vốn đầu t rất lớn, nhất là để nghiên cứu các thiết
bị làm lạnh và điều hòa không khí bằng NLMT cần chi phí quá cao so với thu
nhập của ngời dân ở các nớc nghèo.
- Hiệu suất thiết bị còn thấp: nhất là các bộ thu năng lợng mặt trời dùng để
cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thu cần nhiệt độ cao trên 85
0
C thì các bộ thu

48
phẳng đặt cố định bình thờng có hiệu suất rất thấp, do đó thiết bị lắp đặt còn
cồng kềnh cha phù hợp với nhu cầu lắp đặt và về mặt thẩm mỹ. Các bộ thu có
gơng parabolic hay máng parabolic trụ phản xạ bình thờng thì thu đợc
nhiệt độ cao nhng vấn đề định vị hớng hứng nắng theo phơng mặt trời rất
phức tạp nên không thuận lợi cho việc vận hành.
- Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế: về mặt lý thuyết, NLMT là một
nguồn năng lợng sạch, rẻ tiền và tiềm tàng, nếu sử dụng nó hợp lý sẽ mang
lại lợi ích kinh tế và môi trờng rất lớn. Việc nghiên cứu về lý thuyết đã tơng
đối hoàn chỉnh. Song trong điều kiện thực tiễn, các thiết bị sử dụng NLMT lại
có quá trình làm việc không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động
theo thời tiết, vì vậy rất khó ứng dụng ở quy mô công nghiệp. Đặc biệt là trong
kỹ thuật lạnh và điều tiết không khí, vấn đề nghiên cứu đa ra bộ thu năng
lợng mặt trời để cấp nhiệt cho chu trình máy lạnh hấp thụ đã và đang đợc
nhiều nhà khoa học quan tâm nhằm đa ra bộ thu hoàn thiện và phù hợp nhất
để có thể triển khai ứng dụng rộng rãi vào thực tế.



41

Chơng 4.
định luật nhiệt động II

Định luật nhiệt động I chính là định luật bảo toàn và biến hoá năng lợng
viết cho các quá trình nhiệt động, nó cho phép tính toán cân bằng năng lợng trong
các quá trình nhiệt động, xác định lợng nhiệt có thể chuyển hoá thành công hoặc
công chuyển hoá thành nhiệt. Tuy nhiên nó không cho ta biết trong điều kiện nào
thì nhiệt có thể biến đổi thành công và liệu toàn bộ nhiệt có thể biến đổi hoàn toàn
thành công không.

Định luật nhiệt động II cho phép ta xác định trong điều kiện nào thì quá
trình sẽ xẩy ra, chiều hớng xẩy ra và mức độ chuyển hoá năng lợng của quá
trình. Định luật nhiệt động II là tiền đề để xây dựng lý thuyết động cơ nhiệt và
thiết bị nhiệt.
Theo định luật nhiệt động II thì mọi quá trình tự phát trong tự nhiên đều
xẩy ra theo một hớng nhất định. Ví dụ nhiệt năng chỉ có thể truyền từ vật có nhiệt
độ cao đến vật có nhiệt độ thấp hơn. nếu muốn quá trình xẩy ra ngợc lại thì phải
tiêu tốn năng lợng, vi dụ muốn tăng áp suất thì phải tiêu tốn công nén hoặc phái
cấp nhiệt vào; muốn lấy nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp hơn thải ra môi trờng xung
quanh có nhiệt độ cao hơn (nh ở máy lạnh) thì phải tiêu tốn một năng lợng nhất
định (tiêu tốn một điện năng chạy động cơ kéo máy nén).


4.1. Các loại chu trình nhiệt động và hiệu quả của nó

4.1.1. Khái niệm chung

Trong các chu trình nhiệt, muốn biến nhiệt thành công thì cần có môi chất
để làm chất tải nhiệt và cho môi chất dãn nở để sinh công. Môi chất dãn nở mãi
đợc vì kích thớc thiết bị có hạn. Vì vậy, cho môi chất dãn nở đến một trạng thái
nào đó, ngời ta lại nén môi chất để nó trở lại trạng thái ban đầu rồi tiếp tục cho
dãn nở và nén lặp lại nh lần đầu, quá trình đợc lặp đi lặp lại nh vậy . . . . Khi
môi chất thay đổi trạng thái một cách liên tục rồi lại trở về trạng thái ban đầu, ta
nói môi chất thực hiện một chu trình hay một quá trình kín.

42


Trên đồ thị trạng thái, nếu chu trình tiến hành theo chiều kim đồng hồ thì
gọi là chu trình thuận chiều (hình 4.1).

ở chu trình này môi chất nhận nhiệt sinh công, nên công có dấu dơng (1 >
0) . Các thiết bị nhiệt làm việc theo chu trình này đợc gọi là động cơ nhiệt.
Nếu chu trình tiến hành theo chiều ngợc chiều kim đồng hồ thì gọi là chu
trình ngợc chiều (hình 4.2). ở chu trình này môi chất tiêu hao công hoặc nhận
năng lợng khác, do đó công có dấu âm (1 < 0) . Các thiết bị nhiệt làm việc theo
chu trình này đợc gọi là máy lạnh hoặc bơm nhiệt.

4.1.1.1. Chu trình thuận nghịch và không thuận nghịch

Công của chu trình là công mà môi chất sinh ra hoặc nhận vào khi thực hiện
một chu trình.
Công của chu trình đợc ký hiệu là L khi tính cho Gkg môi chất hoặc l khi
tính cho 1kg môi chất.
Nhiệt lợng và công của chu trình bằng tổng đại số nhiệt lợng và công của
các quá trình trong chu trình đó.




== Tdsqq
iCT
(4-1)



== pdvll
iCT
(4-2)
Lợng biến thiên u, i, s của chu trình đều bằng không vì u, i, s là các
thông số trạng thái, mà chu trình thì có trạng thái đầu và cuối trùng nhau.

Theo định luật nhiệt động I thì q = u + l, mà ở đây u = 0, nên đối với chu
trình ta luôn có:

CTCT
lq
=
(4-3)

4.1.2 Chu trình thuận chiều

* Định nghĩa:

43
Chu trình thuận chiều là chu trình mà môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng
nhả cho nguồn lạnh và biến một phần nhiệt thành công, còn đợc gọi là chu trình
sinh công. Qui ớc: công của chu trình thuận chiều l > 0. Đây là các chu trình
đợc áp dụng để chế tạo các động cơ nhiệt.
* Đồ thị:
Trên đồ thị hình 4.1, chu trình thuận chiều có chiều cùng chiều kim đồng
hồ.
* Hiệu quả chu trình:
Để đánh giá hiệu quả biến đổi nhiệt thành công của chu trình thuận chiều,
ngời ta dùng hệ số
ct
, gọi là hiệu suất nhiệt của chu trình.
Hiệu suất nhiệt của chu trình bằng tỷ số giữa công chu trình sinh ra với
nhiệt lợng mà môi chất nhận đợc từ nguồn nóng.

1
21

1
ct
q
qq
q
l

==
(4-4)
ở đây: q
1
là nhiệt lợng mà môi chất nhận đợc từ nguồn nóng,
q
2
là nhiệt lợng mà môi chất nhả ra cho nguồn lạnh,
l là công chu trình sinh ra, hiệu nhiệt lợng mà môi chất trao đổi với nguồn
nóng và nguồn lạnh. Theo (4-3) ta có: l = q
1
- |q
2
|, vì u = 0.

4.1.3. Chu trình ngợc chiều

* Định nghĩa:
Chu trình ngợc chiều là chu trình mà môi chất nhận công từ bên ngoài để
lấy nhiệt từ nguồn lạnh nhả cho nguồn nóng, công tiêu tốn đợc qui ớc là công
âm, l < 0.
* Đồ thị:
Trên đồ thị hình 4.2, chu trình ngợc chiều có chiều ngợc chiều kim đồng

hồ.
* Hệ số làm lạnh:
Để đánh giá hiệu quả biến đổi năng lợng của chu trình ngợc chiều, ngời
ta dùng hệ số , gọi là hệ số làm lạnh của chu trình.
Hệ số làm lạnh của chu trình là tỷ số giữa nhiệt lợng mà môi chất nhận
đợc từ nguồn lạnh với công tiêu tốn cho chu trình.

21
22
qq
q
l
q

==
(4-5)
trong đó: q
1
là nhiệt lợng mà môi chất nhả cho nguồn nóng,
q
2
là nhiệt lợng mà môi chất nhận đợc từ nguồn lạnh,
l là công chu trình tiêu tốn, l = |q
1
|- q
2
, vì u = 0.


4.2. Chu trình carno thuận nghịch

Chu trình carno thuận nghịch là Chu trình ly tởng, có khả năng biển đổi
nhiệt lợng với hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên, nếu áp dụng vào thực tế thì nó có

44
những nhợc điểm khác về giá thành và hiệu suất thiết bị, do đó xét về tổng thể thì
hiệu quả kinh tế không cao. Chính vì vậy nó không đợc áp dụng trong thực tế mà
nó chỉ làm mục tiêu để hoàn thiện các chu trình khác về mặt hiệu quả nhiệt, nghĩa
là ngời ta phấn đấu thực hiện các chu trình càng gần với chu trình Carno thì hiệu
quả chuyển hoá nhiệt năng càng cao.
Chu trình carno thuận nghịch làm việc với hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác
nhau T
1
và T
2
, nhiệt độ các nguồn nhiệt không thay đổi trong suốt quá trình trao
đổi nhiệt. Môi chất thực hiện 4 quá trình thuận nghịch liên tiếp nhau: hai quá trình
đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt tiến hành xen kẽ nhau. Sau đây ta xét hai
chu trình Carno thuận nghịch gọi tắt là chu trình Carno thuận chiều và chu trình
carno ngợc chiều.

4.2.1. Chu trình carno thuận nghịch thuận chiều

Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno thuận chiều đợc biểu diễn trên hình
4.3. ab là quá trình nén đoạn nhiệt, nhiệt độ môi chất tăng từ T
2
đến T
1
; bc là quá
trình dãn nở đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn nóng có nhiệt độ T

1
không
đổi và nhận từ nguồn nóng một nhiệt lợng là q
1
= T
1
(s
c
- s
b
); cd là quá trình dãn
nở đoạn nhiệt, sinh công l, nhiệt độ môi chất giảm từ T
1
đến T
2
; da là quá trình nén
đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn lạnh có nhiệt độ T
1
không đổi và nhả cho
nguồn lạnh một nhiệt lợng là q
2
= T
2
(s
a
- s
d
).

Hình 4.3. Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno thuận chiều

Hiệu suất nhiệt của chu trình thuận chiều đợc tính theo công thức (4-4) .
Khi thay các giá trị q
1
và |q
2
| vào ta có hiệu suất nhiệt của chu trình Carno thuận
nghịch thuận chiều là:

(
)
(
)
()
1
2
bc1
ad2bc1
1
21
1
ct
T
T
1
ssT
ssTssT
q
qq

q
l
=


=

==
. (4-6)
* Nhận xét:

Từ biểu thức (4-6) ta thấy:
- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carno thuận chiều chỉ phụ thuộc vào nhiệt
độ nguồn nóng T
1
và nhiệt độ nguồn lạnh T
2
mà không phụ thuộc vào bản chất của
môi chất.

45
- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carno càng lớn khi nhiệt độ nguồn nóng
càng cao và nhiệt độ nguồn lạnh càng thấp.
- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carno luôn nhỏ hơn một vì nhiệt độ nguồn
nóng không thể đạt vô cùng và nhiệt độ nguồn lạnh không thể đạt đến không.
- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carno thuận nghịch lớn hơn hiệu suất nhiệt
của chu trình khác khi có cùng nhiệt độ nguồn nóng và nhiệt độ nguồn lạnh.

4.2.1. Chu trình carno thuận nghịch ngợc chiều

Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno ngợc chiều đợc biểu diễn trên hình
4.4. ab là quá trình dãn nở đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn lạnh có nhiệt
độ T
2
không đổi và nhận từ nguồn lạnh một nhiệt lợng là q
2
= T
2
(s
b
- s
a
); bc là quá
trình nén đoạn nhiệt, tiêu tốn công nến là l, nhiệt độ môi chất tăng từ T
2
đến T
1
; cd
là quá trình nén đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn nóng có nhiệt độ T
1

không đổi và nhả cho nguồn nóng một nhiệt lợng là q
1
= T
1
(s
d
- s
c
); da là quá

trình dãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ môi chất giảm từ T
1
đến T
2
.


Hình 4.3. Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno ngợc chiều

Hệ số làm lạnh của chu trình ngợc chiều đợc tính theo công thức (4-5).
Khi thay các giá trị |q
1
| và q
2
vào ta có hệ số làm lạnh của chu trình Carno thuận
ngịch ngợc chiều là:

(
)
()()
ab2dc1
ab2
21
22
ssTssT
ssT
qq
q
l
q

=

==

1
T
T
1
TT
T
2
1
21
2

=

=
(4-7)

* Nhận xét:

Từ biểu thức (4-7) ta thấy:
- Hệ số làm lạnh của chu trình Carno ngợc chiều chỉ phụ thuộc vào nhiệt
độ nguồn nóng T
1
và nhiệt độ nguồn lạnh T
2

mà không phụ thuộc vào bản chất của
môi chất.

46
- Hệ số làm lạnh của chu trình Carno càng lớn khi nhiệt độ nguồn nóng
càng thấp và nhiệt độ nguồn lạnh càng cao.
- Hệ số làm lạnh của chu trình Carno có thể lớn hơn một.

4.3. Một vài cách phát biểu của định luật nhiệt động II


- Nhiệt lợng không thể tự truyền từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ
cao hơn. Muốn thực hiện quá trình này thì phải tiêu tốn một phần năng lợng bên
ngoài (chu trình ngợc chiều).
- Khi nhiệt độ T
1
= T
2
= T thì hiệu suất
ct
= 0, nghĩa là không thể nhận
công từ một nguồn nhiệt.
Muốn biến nhiệt thành công thì động cơ nhiệt phải làm việc theo chu trình
với hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau. Trong đó một nguồn cấp nhiệt cho môi
chất và một nguồn nhận nhiệt môi chất nhả ra. Điều đó có nghĩa là không thể biến
đổi toàn bộ nhiệt nhận đợc từ nguồn nóng thành công hoàn toàn, mà luông phải
mất đị một lợng nhiệt thải cho nguồn lạnh. Có thể thấy đợc điều đó vì: T
1
< và
T

2
> 0, do đó
ct
<
ctCarno
< 1, nghĩa là không thể biến hoàn toàn nhiệt thành công.
- Chu trình Carno là chu trình có hiệu suất cao nhất,
max
1
2
ctCarnoct
T
T
1==
,
- Hiệu suất nhiệt của chu trình không thuận nghịch nhỏ hơn hiệu suất nhiệt
của chu trình thuận nghịch.

kTN
<
TN
./.