BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT

Động cơ đốt trong: Việc đốt cháy nhiên liệu, sự toả nhiệt và quá trình chuyển từ nhiệt năng của môi chất do đốt cháy nhiên liệu sang cơ năng đợc thựchiện trong xi lanh động cơ.. áp suất,

Phần I: Nhiệt động kĩ thuật

Chơng I: những khái niệm cơ bảnBài 1: Nguyên lí làm việc của thiết bị nhiệt

1 Phân loại thiết bị nhiệt:

Thiết bị nhiệt: Bao gồm: + Động cơ nhiệt

+ Máy lạnh và bơm nhiệt

1.1 Động cơ nhiệt : Là những thiết bị biến nhiệt năng thành cơ năng hoặc thành điện năng.

Động cơ nhiệt : Chia làm 2 loại : + Động cơ hơi nớc

+ Động cơ đốt trong

a Động cơ hơi n ớc : Chuyển nhiệt năng của hơi nớc khi đốt cháy nhiên liệu trong thiết bị

nồi hơi sang cơ năng

b Động cơ đốt trong: Việc đốt cháy nhiên liệu, sự toả nhiệt và quá trình chuyển từ nhiệt

năng của môi chất (do đốt cháy nhiên liệu) sang cơ năng đợc thựchiện trong xi lanh động cơ

* Động cơ đốt trong gồm: Động cơ đốt trong dạng piston, tua bin khí, động cơ phản lực

dùng nhiên liệu và chất ô xi hoá lỏng, tua bin phản lực

1.2 Máy lạnh và bơm nhiệt: Là thiết bị vận chuyển nhiệt năng này tới nơi khác (từ nơi có

nhiệt độ thấp tới nơi có nhiệt độ cao) để thực hiện mục đíchlàm mát (máy lạnh) hoặc sấy nóng (bơm nhiệt)

2 Nguyên lý hoạt động:

2.1 Động cơ nhiệt:

Môi chất nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng (quá trình cháy

nhiên liệu, phản ứng hoá học, ) giãn nở để biến 1 phần

nhiệt này thành công LO Sau đó môi chất nhả phần nhiệt

còn lại cho nguồn lạnh (xả ra khí quyển, truyền cho nớc

làm mát, làm nóng chi tiết, )

o

- Hiệu suất nhiệt: 1 2

o t

- Máy tiêu hao năng lợng LO (hỗ trợ năng lợng từ bên

ngoài) để môi chất nhận nhiệt lợng Q2 từ nguồn lạnh

(nhiệt của vật cần làm lạnh) rồi đem nhiệt đó cùng với

năng lợng LO truyền cho nguồn nóng (khí quyển, nớc

1J= 0,24 cal, 1BTU= 252 cal (1 BTU/h= 0,3 W)

3.2 Qui ớc về dấu của công và nhiệt:

4.1 Hệ thống nhiệt: Là 1 đối tợng hoặc tập hợp những đối tợng đợc tách ra để nghiên cứu

các quá trình về nhiệt (còn đợc gọi là hệ nhiệt động)

- Ranh giới giữa hệ thống nhiệt và môi trờng: Có thể là một bề mặt thật hoặc là bề mặt ởng tợng

t Tuỳ theo điều kiện tách hệ thống mà ta có thể chia ra:

+ Hệ thống kín; hở

+ Hệ cô lập

+ Hệ đoạn nhiệt

4.2 Nguồn nhiệt: Là những vật có trao đổi nhiệt với môi chất.

+ Nguồn nóng: Là nguồn nhiệt có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi chất.+ Nguồn lạnh: Là nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi chất

4.3 Môi chất: Là những chất mà thiết bị nhiệt dùng để truyền tải và chuyển hoá nhiệt

năng với các dạng năng lợng khác

VD: + Nớc, không khí, dầu trong hệ thống làm mát ô tô, xe máy,

+ Môi chất lạnh nh khí R12 (CFC), khí R134a (HFC, CH2-CF3), NH3 trong hệ thống lạnh, điều hoà

Bài 2 : Sự thay đổi trạng thái và chuyển pha của môi chất

1 áp suất, nhiệt độ và sự thay đổi trạng thái của môi chất:

- Vật chất tồn tại ở ba trạng thái khác nhau: rắn, lỏng, khí Để thay đổi trạng thái của vật cầncấp thêm nhiệt hoặc lấy nhiệt đi

VD: Đối với nớc tinh khiết:

+ ở áp suất khí quyển (p = 1at) thì ts = 100OC+ ở áp suất p = 0,01at thì ts = 6,92OC, ở áp suất p = 200 at thì ts = 365,7OC

- Đối với đơn chất: Dùng đồ thị 3 pha để biểu thị sự thay đổi trạng thái phụ thuộc vào ápsuất p, nhiệt độ t

O: Điểm giao của 3 pha

OB: Chuyển từ R sang H : sự thăng hoa (sự ngng

kết)

OA: Chuyển từ R sang L : sự nóng chảy (sự đông

đặc)

OK: Chuyển từ L sang H : sự hoá hơi ( sự ngng tụ)

2 Sự chuyển pha của môi chất:

2.2 Hoá hơi và ngng tụ:

Là quá trình môi chất chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và ngợc lại

Bài 3: Thông số trạng thái của môi chất

Thông số trạng thái: Là những đại lợng vật lí có giá trị xác định ở 1 trạng thái nhất định

nào đó

Thông số trạng thái chỉ phụ thuộc vào trạng thái mà không phụ

thuộc vào quá trình

1 Nhiệt độ (t):

Là mức đo trạng thái nóng hay lạnh của môi chất

+ ở góc độ vi mô: Nhiệt độ biểu thị động năng trung bình của các phân tử chuyển động

2

.2

Điểm sôi của nớc tinh khiết 100OC

Một độ trong các thang chia là nh nhau

- Nhiệt độ thấp nhất: ứng với trạng thái các phân tử ngừng chuyển động gọi là độ không tuyệt đối Tơng ứng với nhiệt độ: 0OK = - 273 OC

2 áp suất tuyệt đối (p): Là lực tác dụng của các phân tử theo phơng pháp tuyến lên một

3 Thể tích riêng (v), khối lợng riêng (  ):

- Thể tích riêng: Là thể tích của 1 đơn vị khối lợng

+ Nội thế năng là một hàm f(v) (phụ thuộc vào

lực tơng hỗ giữa các phân tử tức là phụ thuộc vàokhoảng cách giữa các phân tử)

Từ đó ta có nội năng u = f(T,v)

* Với khí lí tởng: Khoảng cách giữa các phân tử r = 0 (không có lực tơng tác giữa các phântử) nên u = f(T)

5 Entanpi (i):

- Entanpi đợc định nghĩa: Với 1 kg môi chất i u pv (J/kg)

Với G kg môi chất: I U  p V (J)

- Đối với khí lí tởng i = f(T) vì u và pv chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T

6 Entropi (s):

- Entropi đợc xác định bằng biểu thức: ds dq

T

 (J/kg.OK) Với q : Lợng nhiệt môi chất trao đổi với môi trờng

T : Nhiệt độ tuyệt đối của môi chất

Với q: Tổng nhiệt năng của môi chất

a: (anecgi) là phần nhiệt năng không chuyển hoá thành công

Bài 4: Phơng trình trạng thái của môi chất

1 Phơng trình trạng thái của môi chất:

1.1 Phơng trình trạng thái của khí lý tởng:

- Là phơng trình biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số trạng thái với nhau, thông ờng đó là 3 thông số có bản: p, v, T

th Đối với khí lý tởng, phơng trình trạng thái viết cho:

+ 1 kg khí lý tởng: p v RT  Với p: áp suất tuyệt đối (N/m2)

v: Thể tích riêng (m3/kg) R: Hằng số chất khí (J/kg OK) T: Nhiệt độ tuyệt đối (OK) Viết cho G kg khí lý tởng :

pvG GRT  pV GRT

+ Viết cho 1 kmol ( kg) khí lý tởng:

pV   R T.

với: V: Thể tích của 1 kmol môi chất ở đktc (p=760 mmHg, t= 0O C: V= 22,4 m3)

R: Hằng số phổ biến của môi chất ta có R= 8314 (J/kmol.OK)

     với pi: áp suất của khí thành phần

* Phân thể tích V : Là thể tích của khí thành phần đợc tách riêng nhng vẫn giữ nhiệt độ i

và áp suất bằng nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp (T i  , T p i  ).p

Thành phần đợc xác định theo: Thành phần khối lợng, thành phần thể tích, thành phầnkilomol.

a Thành phần khối l ợng (g i ): Là tỉ số giữa khối lợng 1 khí và tổng khối lợng hỗn hợp.

1 2

1

n

i i

v

r v

Chơng II: Định luật nhiệt động thứ nhất

Và các quá trình cơ bản của môi chất

Bài 1: Nhiệt, công và các phơng pháp xác định

1 Nhiệt dung riêng và cách tính nhiệt:

1.1 Nhiệt dung riêng (C):

Là lợng nhiệt cần truyền cho môi chất để môi chất tăng lên 1 độ (trong 1 quá trình nhiệt

động nào đó nh đẳng áp, đẳng tích hay đoạn nhiệt, )

dq

C dt

* Các loại nhiệt dung riêng:

- Tuỳ theo đơn vị đo lợng môi chất mà chia nhiệt dung riêng thành các loại khác nhau:+ Nhiệt dung riêng khối lợng: C J kg K( / o )

+ Nhiệt dung riêng thể tích: C J m K( / 3.o )

+ Nhiệt dung riêng kilomol: C J kmol K( / o )

của môi chất đó nh CO2 44( ),kg H O2 18( )kg

- Tuỳ theo cách cấp nhiệt (đẳng áp, đẳng tích) cho môi chất, ta có:

+ Nhiệt dung riêng đẳng áp: (p= const)

C nhiệt dung riêng khối lợng đẳng áp p:

Ta có kết quả : 1

.1

t

t

t t t

b Tính nhiệt theo sự thay đổi entropi:

Trong quá trình đẳng nhiệt (t=const) không tính đợc q theo nhiệt dung riêng vì dt=0nên cần phải tính theo s:

Giả sử s>0 (entropi tăng) nên 1q2 >0 do đó môi chất nhận nhiệt

2 1q2 không phải luôn cùng dấu với dt

3 1q2 không phải là hàm trạng thái (vì phụ thuộc vào cả quá trình từ trạng thái 1 đếntrạng thái 2) do đó để đạt đợc trạng thái mong muốn (2) có thể có nhiều cách cấp nhiệt

để đảm bảo lợng nhiệt cấp là nhỏ nhất

(Chú ý: Khi chỉ xét đến nhiệt động trên thực tế để đảm bảo cấp nhiệt theo một đờngmong muốn thì cần tiêu tốn công cho các thiết bị để đảm bảo duy trì đợc quan hệ theoyêu cầu nên sẽ tiêu hao công, có những khó khăn về mặt kỹ thuật, tốn kém kinh tế).VD: Cấp nhiệt đẳng tích chi phí chế tạo bình (chịu nhiệt, chịu áp suất cao,…)

Cấp nhiệt đẳng áp để tăng tO, V cần có thiết bị thay đổi thể tích, làm mát, chịu nhiệt,…)

2 Các loại công của môi chất:

l p dv (J)

- Qui ớc: l  môi chất giãn nở (công dơng).12 0

12 0

l  môi chất bị nén (công âm).

Nhận xét: Khi thể tích V tăng thì áp suất p có thể tăng, giảm hoặc không đổi (điều

này còn phụ thuộc vào nhiệt độ)

Bài 2: Định luật nhiệt động thứ nhất

1 Nội dung định luật nhiệt động I:

Giữa nhiệt năng và các dạng năng lợng khác (cơ năng, điện năng,…) có thể chuyển hoálẫn cho nhau, khi một lợng nhiệt năng xác định bị tiêu hao sẽ đợc một lợng xác địnhnăng lợng khác tơng ứng, còn tổng năng lợng của môi chất sẽ không thay đổi

ngoại động năng

2 Biểu thức định luật nhiệt động I: (phơng trình nhiệt động I)

- Khi cấp cho môi chất một năng lợng dq thì nội năng môi chất du sẽ thay đổi (do tO thay

đổi) đồng thời môi chất thực hiện công dl (v thay đổi):

v p

dq C dT vdp

Bài 3 Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lí tởng

Nghiên cứu : + Xây dựng phơng trình các quá trình, biểu diễn trên đồ thị.

+ Quan hệ giữa các thông số trạng thái có bản : p, v, T

+ Xác định lợng thay đổi của một số thông số trạng thái: u, i, s, e

+ Tính công, nhiệt trao đổi trong quá trình

- Giả thiết: Trong cả quá trình nhiệt dung riêng C= const

1 Phơng trình của quá trình đa biến, biểu diễn trên đồ thị:

1.1 Xây dựng phơng trình:

(1)

v p

dq C dT vdp

1 Quá trình đoạn nhiệt:

Là quá trình xảy ra mà không có sự trao đổi nhiệt giữa môi chất với môi trờng bên

c Biến thiên của u, i, s :

Cách tính  u i, tơng tự nh quá trình đa biến

v v

3 Quá trình đẳng tích : (V=const) -> C=Cv -> p

v

C C n

Công kỹ thuật:

Bài 4: Quá trình làm việc của máy nén khí

1 Công dụng và phân loại:

1.1 Công dụng: Dùng để nén môi chất tới áp suất cao.

ứng dụng: Búa máy, làm sạch chi tiết, phun sơn, vận chuyển hạt, ôtô-máy xây dựng (hệ thống phanh hơi),

1.2 Phân loại: Căn cứ theo nguyên lí hoạt động có thể chia là 2 loại: + Máy nén piston

+ Máy nén li tâm

a Máy nén piston:

- Nhiệm vụ : Tăng áp suất cho khí bằng cách giảm thể tích của môi chất

- Đặc điểm : áp suất nén đạt cao nhng năng suất của máy bị hạn chế (do kích thớc máyphải lớn), dòng khí lấy ra không liên tục (muốn lấy ra liên tục phải có bình chứa khínén)

- Đặc điểm : áp suất không lớn lắm nhng dòng khí đợc lấy ra liên tục với lu lợng lớn

2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động máy nén piston :

2.1 Sơ đồ cấu tạo :

2.2 Nguyên lí hoạt động :

a Quá trình nạp :

Piston đi xuống đồng thời xupáp nạp mở, xupáp xả đóng : môi chất có các thông số

p1, V1, T1 đợc hút vào khoang xi lanh Các thông số p1, V1,T1 không đổi (vì trạng tháimôi chất không đổi) nên đây không phải là quá trình nhiệt động

+ Quá trình nén đẳng nhiệt : Công tiêu thụ cho máy nén là nhỏ nhất nhng cần phải làm

- Các thông số trạng thái của môi chất (p2, V2, T2) không đổi nên đây không là quá trìnhnhiệt động.

1

n n

{( ) 1}

n n

Chơng III: Định luật nhiệt thứ II và chu trình Carnot

Bài 1: Một số khái niệm

1 Chu trình nhiệt động:

Nhận xét: Để nhiệt chuyển thành công cần phải cho môi chất giãn nở tuy nhiên để có thể

nhận công liên tục thì môi chất phải giãn nở liên tục Trên thực tế điều này không thể thựchiện đợc vì kích thớc máy bị giới hạn, nên phải nén môi chất trở về trạng thái ban đầu sau đólại cho môi chất giãn nở, quá trình thực hiện thay đổi trạng thái môi chất liên tục nh vậy sẽtạo thành chu trình nhiệt động

Chu trình thuận chiều Chu trình ngợc chiều

a Chu trình thuận chiều (Động cơ nhiệt):

- Là chu trình chuyển nhiệt năng thành công

- Đặc điểm: + Là đờng cong kín, thực hiện theo chiều kim đồng hồ

+ Đờng cong giãn nở (2-3-4) nằm trên đờng nén (4-1-2)

b Chu trình ng ợc chiều (Máy lạnh và bơm nhiệt) :

- Là chu trình chuyển nhiệt năng từ nguồn có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao nhờ

sự hỗ trợ năng lợng từ bên ngoài (dẫn động)

- Đặc điểm: + Là đờng cong kín, thực hiện ngợc chiều kim đồng hồ

+ Đờng cong nén (4-1-2) nằm trên đờng giãn nở (2-3-4)

2 Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh, hệ số bơm nhiệt:

2.1 Hiệu suất nhiệt:

Trong động cơ nhiệt: Môi chất nhận nhiệt lợng (q1) từ nguồn nóng và chyển thành:

Bài 2: Chu trình Carnot thuận nghịchChu trình Carnot thuận nghịch : Là chu trình gồm có hai quá trình đẳng nhiệt và hai quátrình đoạn nhiệt.

+ Đẳng nhiệt: T const

+ Đoạn nhiệt: q=0 mà ds dq 0 s const

T

1 Chu trình Carnot thuận chiều (Động cơ nhiệt):

1.1 Diễn biến chu trình:

- Quá trình ab: Nén đoạn nhiệt, nhiệt độ tăng từ T2 đến T1

- Quá trình bc: + Giãn nở đẳng nhiệt

+ Môi chất nhận nhiệt lợng: q1q bc T s1.  q1T s1.( c  s b)

- Quá trình cd: Giãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ giảm từ T1 đến T2

- Quá trình ad: + Nén đẳng nhiệt

+ Môi chất nhả nhiệt lợng: q2 q da T2. s  q2 T s2.( a  s d)

1.2 Hiệu suất nhiệt:

+ Hiệu suất nhiệt chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc loại môi chất.

+ Để tăng hiệu suất nhiệt  thì cần giảm 2

1

T

T tức là tăng nhiệt độ nguồn nóng T1 và giảm

nhiệt độ nguồn lạnh T2

+ Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot là lớn nhất

2 Chu trình Carnot ngợc chiều:

1.1 Diễn biến chu trình:

- Quá trình ba: Giãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ giảm từ T1 đến T2

- Quá trình ad: + Giãn nở đẳng nhiệt

+ Môi chất nhận nhiệt lợng: q2 q ad T2. s

- Quá trình dc: Nén đoạn nhiệt, tăng nhiệt độ từ T2 đến T1

- Quá trình cb: + Nén đẳng nhiệt

+ Môi chất nhả nhiệt lợng: q1 q cb T s1.

+ Để tăng ,  cần tăng nhiệt độ nguồn nóng, giảm nhiệt độ nguồn lạnh.

Bài 3: Định luật nhiệt động thứ II

Định luật nhiệt động II: Thực chất là định luật nhiệt động I nhng xác định thêm các

điều kiện, chiều hớng và mức độ chuyển hoá năng lợng.

+ Điều kiện: Để nhiệt truyền từ nguồn lạnh sang nguồn nóng cần có sự hỗ trợ năng lợng từ

bên ngoài (bằng máy nén, bơm,…)

+ Chiều hớng: Thực hiện theo chu trình thuận chiều hoặc chu trình ngợc chiều

+ Mức độ chuyển hoá: Thể hiện bằng hiệu suất nhiệt  , hệ số làm lạnh  , hệ số bơm

nhiệt  Một số cách phát biểu khác của định luật nhiệt động thứ II:

* Cách 1: Nhiệt năng không thể truyền từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao

* Cách 2: Không thể sinh công một cách liên tục bằng một động cơ nhiệt làm việc theo

chu trình chỉ có một nguồn nhiệt

Chơng IV: chu trình nhiệt động Bài 1 : các loại chu trình của động cơ

động cơ đốt trong kiểu pistpon Các loại chu trình của động cơ đốt trong chia thành 3 loại chính : Chu trình cấp nhiệt

đẳng tích, chu trình cấp nhiệt đẳng áp và chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

1 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích : Dùng cho các loại động cơ đốt trong có tia lửa điện

(buji) chạy bằng xăng hoặc khí đốt

- Quá trình ab - nén đoạn nhiệt (môi chất là hỗn hợp

không khí và nhiên liệu)

- Quá trình bc - cấp nhiệt đẳng tích thay cho quá trình

cháy

- Quá trình cd - dãn nở đoạn nhiệt

- Quá trình da - nhả nhiệt đẳng tích thay cho quá trình

  và tỷ số tăng áp suất khi

cấp nhiệt c

b

p p

l q



 

   (4)Hiệu suất nhiệt tăng khi k và  tăng nhng k phụ thuộc vào đặc tính của môi chất còn  hạnchế bởi sự kích nổ thờng  = 5 ữ7 với xăng và  = 6 ữ9 với nhiên liệu khí

2 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp :

Sử dụng trên các loại động cơ diesel

- Quá trình ab - nén đoạn nhiệt (môi chất là không khí)

- Quá trình bc - cấp nhiệt đẳng áp

- Quá trình cd và da giống nh chu trình trên

Khi tính toán đa thêm hệ số dãn nở sớm c

b

v v

  ta có :

- Nhiệt lợng cấp vào : q1 qbc  C TP a k1   1  (5)

- Nhiệt lợng nhả ra : 2  k 1 

V a da

q  q  C T   (6)

- Công sinh ra trong một chu trình : l q  1 q2 (7)

- Hiệu suất nhiệt của chu trình :

1 1