BÀI GIẢNG kỹ THUẬT NHIỆT

Giáo trình môn học Kĩ Thuật Nhiệt trường ĐH CN TPHCM, Bài giảng gồm 10 chương.Chương 1: tổng quanChương 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNGChương 3: MỘT SỐ QUÁ TRÌNH ĐẶC BIỆT CỦA KHÍ VÀ HƠIChương 4: Hơi nướcCHương 5:MỘT SỐ QUÁ TRÌNH ĐẶC BIỆT CỦA KHÍ VÀ HƠIChương 6: Không khí ẩmChương 7: CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ TUABIN KHÍChương 9: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TRUYỀN NHIỆT Chương 10: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ DẪN NHIỆT VÀ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT CỦA VẬT RẮN

- Các lọai động cơ turbine, động cơ đốt trong, động cơ phản lực.

- Các thiết bị sử dụng hơi nước.

1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA

1.2.1 Hệ thống nhiệt động

Hệ thống hoạt động phải có đầy đủ ba yếu tố: chất môi giới, nguồn nóng và nguồn lạnh

Chất môi giới là các môi chất trung gian dùng trong các thiết bị

nhiệt để thực hiện các quá trình trao đổi năng lượng với bên ngoài Yêu cầu chất công tác: có khả năng biến đổi các đặc tính vật lý dễ dàng khi trao đổi năng lượng → là các chất khí hoặc hơi.

Biên giới Môi trường

HTND Biên giới Biên giới

Môi trường

Hệ thống nhiệt động được phân ra nhiều loại:

• Hệ kín là hệ không trao đổi chất với môi trường xung quanh

• Hệ hở là hệ có trao đổi chất với môi trường xung quanh

• Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi nhiệt với môi trường

Trong thực tế, không có hệ hoàn toàn cô lập hoặc đoạn nhiệt, mà chỉ gần đúng với sai số cho phép được.

• Hệ cô lập là hệ không trao đổi chất, không trao đổi nhiệt và công với môi trường xung quanh

1.2.2 Động cơ nhiệt, bơm nhiệt và máy lạnh

1.2.2.1 Động cơ nhiệt:

Là loại máy nhận nhiệt dùng để sinh công Các máy này làm việc

theo nguyên lý: Môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng giãn nở để biến một phần nhiệt này thành công sau đó nhả phần nhiệt còn lại cho nguồn

lạnh.

Ví dụ: Động cơ đốt trong, động cơ phản lực, máy hơi nước

1.2.2.2 Bơm nhiệt và máy lạnh:

Về nguyên lý thì bơm nhiệt và máy làm lạnh giống nhau Các máy này nhận công từ bên ngoài để chuyển nhiệt lượng từ môi trường có nhiệt độ thấp hơn đến môi trường có nhiệt độ cao hơn Về phạm vi hoạt động thì khác nhau.

1.2.3 Nguồn nhiệt:

Là nơi cung cấp hoặc nhận nhiệt của chất môi giới trong chu trình Trong một chu trình phải có ít nhất 2 nguồn nhiệt, nguồn nóng có nhiệt

độ T1, nguồn lạnh có nhiệt độ T2 (T1 > T2)

1.2.4 Chất môi giới

Là chất trung gian dùng để thực hiện quá trình biến đổi giữa

nhiệt và công trong hệ thống nhiệt động Chất môi giới có thể ở trạng thái rắn, lỏng, khí Trong các máy nhiệt thường gặp ở dạng khí, vì thể khí có khả năng thay đổi thể tích rất lớn do đó có khả năng sinh công lớn.

1.2.5 Công và nhiệt lượng

1 Thực hiện một công của vật này đối với vật kia:

Lúc đó năng lượng của một vật tăng lên một lượng bằng lượng của vật kia mất đi Công trong nhiệt động kỹ thuật ký hiệu là L và quy ước công do vật sinh ra là dương và ngược lại công do vật nhận được là âm

2 Năng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh khi chúng tiếp xúc với nhau:

Năng lượng trao đổi dưới dạng này gọi là nhiệt lượng Nhiệt

lượng trong nhiệt động kỹ thuật ký hiệu là Q và quy ước nhiệt lượng

do vật nhận là dương và vật thải ra là âm.

1 Calo = 4,1868 J

1.2.6 Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch.

Quá trình thuận nghịch là quá trình cân bằng và biến đổi trạng thái từ 1 sang 2 và ngược lại từ 2 sang 1 theo đúng trạng thái trung gian của chất môi giới ở giữa các điểm 1 và 2 mà không làm thay đổi trạng thái của hệ thống và môi trường bên ngoài hay không gây tổn thất năng lượng (Nghĩa là: không bị ma sát, không có sức cản trong quá trình chuyển động).

Ngược lại những quá trình không thỏa mãn điều kiện trên gọi

là quá trình không thuận nghịch Nghĩa là quá trình không thể quay về trạng thái ban đầu, nếu muốn trở về thì phải cung cấp năng lượng.

1.3 THÔNG SỐ TRẠNG THÁI

- Thông số dung độ: là những đại lượng vật lý có giá trị phụ thuộc vào khối lượng

- Thông số cường độ: là những đại lượng vật lý có giá trị không phụ thuộc vào khối lượng

1.3.1 Nhiệt độ (Temprature).

- Nhiệt độ bách phân là thang nhiệt độ Celcius, kí hiệu t, đơn vị °C

- Nhiệt độ tuyệt đối Kelvin, kí hiệu T, đơn vị °K,

T = t + 273,15 ≈ t + 273 Ngoài ra trong hệ thống nhiệt độ ở Mỹ, Anh và một số nước khác còn dùng thang nhiệt độ Fahrenheit, ký hiệu là

°F; nhiệt độ Rankine ký hiệu là °R.

Quan hệ giữa nhiệt độ C, nhiệt độ F và nhiệt độ R như sau:

) 32 F

°

( 9

5

= C

32 +

C

° 5

9

= F

°

460 R

°

= F

- F: là tổng lực tác dụng của các phân tử khí trong bình chứa [N]

- S: diện tích thành bình chứa chất khí [m 2 ].

S F

Quan hệ của các thông số được biểu thị như sau:

Ta có: p = po + pd

p = po – pck

Dụng cụ để đo áp suất gọi là áp kế, trong thực tế áp kế có ba loại:

- Áp kế dùng để đo áp suất khí quyển gọi là Barometer.

- Áp kế dùng để đo áp suất dư được gọi là Manometer.

- Áp kế dùng để đo chân không gọi là Vacumeter hay chân không kế.

1.3.3 Thể tích riêng và khối lượng riêng

Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng, ký hiệu là v, xác định bằng biểu thức:

3

/ ,

1

m

kg V

1.3.4 Nội năng:

- Ký hiệu là: U (J) khi khối lượng chất môi giới là G kg

hay u (J/kg) khi khối lượng chất môi giới là 1 kg.

- Nội năng là toàn bộ các dạng năng lượng bên trong của vật.

Nội năng của chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích riêng của chất khí, nghĩa là phụ thuộc vào hai thông số độc lập Nội năng là một thông số trạng thái nên sự biến thiên của nó không phụ thuộc vào đặc tính của quá trình, chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối

Vậy nội năng là hàm của nhiệt độ và thể tích

1.3.5 Entanpi (i)

Ký hiệu: I [J] khi khối lượng chất môi giới là G kg

hay i [J/kg] hay h [J/kg] khi khối lượng chất môi giới là 1 kg

Trong nhiệt động, entanpi được định nghĩa bằng biểu thức:

I = U + pV Hay: i = u + p

1.3.6 Entropi (s)

Ký hiệu là S (J/kg o K) khi khối lượng chất môi giới là G kg

hay s (kJ/kg o K) khi khối lượng chất môi giới là 1 kg

Entropy không đo trực tiếp mà phải tính toán Trong nhiệt động entropy định nghĩa như sau:

Độ biến đổi của entropy không phụ thuộc vào đặc tính của quá trình thay đổi trạng thái của chất khí mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình.

T dq

ds =

1.4 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ

1.4.1 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng:

Khí lý tưởng là khí khi lực tương tác giữa các phân tử bằng không và thể tích bản thân các phân tử bằng không.

- Phương trình trạng thái khí lý tưởng cho 1 kg chất khí:

pv = RT

- Phương trình trạng thái khí lý tưởng cho G kg.

pV = GRT Trong đó: R là hằng số của chất khí lý tưởng, R = 8314/ µ (J/kg.độ)

V: là thể tích của chất khí (m 3 )

p: áp suất tuyệt đối (N/m2)

T: nhiệt độ tuyệt đối (0K)

v: thể tích riêng (m3/kg)

µ: kilomol của khí lý tưởng, (kg/kmol) có chỉ số bằng phân tử lượng.

1.5 HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG

1.5.1 Tính chất:

- Áp suất của khí thành phần tuân theo định luật Dalton

Trong đó: p: Áp suất của hỗn hợp khí.

pi: Áp suất của khí thành phần hay phân áp suất.

- Định luật Amagat (như là Hệ quả định luật Dalton): Thể tích của hỗn hợp bằng tổng các thể tích riêng phần của các thành phần

Gọi: V, T: là thể tích và nhiệt độ của hỗn hợp khí

Pi: áp suất riêng phần của chất khí thành phần thứ i trong hỗn hợp.

Gi : khối lượng của chất khí thành phần thứ i trong hỗn hợp.

Ri: là hằng số của chất khí thành phần thứ i trong hỗn hợp.

Ta có phương trình trạng thái đối với khí thành phần trong hỗn hợp:

piV = GiRiT

∑

=

= + + +

+ +

i i

V V

V

V

1 2

1 ,

1.5.2 Thành phần của hỗn hợp:

gi =

Trong đó: gi: Thành phần khối lượng

Gi: Khối lượng của chất khí thành phần ( kg)

G: Khối lượng của hỗn hợp khí (kg)

+ +

i n

i

i

G G g

2 Thành phần thể tích (ri):

Trong đó: vi: là thể tích riêng phần;

ri : thành phần thể tích của hỗn hợp khí;

V: Thể tích của hỗn hợp khí.

3 Thành phần mol: Là tỷ số giữa số mol (Mi) của chất khí thành phần với tổng số mol của hỗn hợp khí (M).

Ta có: Mi: là số mol của khí thành phần

M: là tổng số mol của hỗn hợp khí Theo định luật Avogadro: ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, thể tích một kmol của tất cả các khí lý tưởng đều bằng nhau

V V

i n

i i

Mi i

1.5.3 Xác định các đại lượng của hỗn hợp:

1 Phân tử lượng của hỗn hợp ( µhh): là tỷ số giữa khối lượng G và số mol M của hỗn hợp.

G

∑ M

G

n 1

=

∑ μ G

G

n 1

=

i

∑ μ g

1 n 1

n i

i i

3 Thể tích riêng và khối lượng riêng của hỗn hợp

1

= V

∑G

= V

=

n 1

Chương 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

2.1 CÔNG.

2.1.1 Công thay đổi thể tích (hay công giãn nở)

Dưới tác động của áp suất chất môi giới thì bề mặt ranh giới sẽ bị dịch chuyển hoặc làm tăng thể tích chất môi giới hay ngựơc lại và công tương ứng là công giãn nở hay công nén Cả hai công này gọi chung là công thay đổi thể tích Kí hiệu là

V

V

dv p l

2.1.2 Công kỹ thuật

Là công do sự thay đổi áp suất của hệ gây ra.

Kíí́ hiệu: lkt (J/ kg) hay Lkt ( J).

Biểu thức tính công kỹ thuật như sau:

dlkt = - vdp (J/ kg) hoặc dLkt = -Vdp ( J)  

, [J/kg] hoặc , [J]

2.1.3 Công ngoài (ngoại công):

Là công mà hệ trao đổi với môi trường Kí hiệu là ln (J/kg) hay Ln ( J).

Công ngoài được xác định bằng biểu thức:

2

21

22

12 12

12

ω ω

ω

∆ +

kt l l

2.1.4 Công lưu động

Là công sinh ra do sự biến đổi động năng của dòng chất môi giới trong

hệ hở.

Ký hiệu là lω, đơn vị (J/ kg) hay Lω,( J).

Biểu thức tính công lưu động là:

hay

Trong đó:

ω1 , ω2 - tốc độ của dòng môi chất ở trạng thái 1 và 2, m/ s

G- lưu lượng dòng môi chất, kg/ s

kg / J

; 2

d dl

2

ω

=ω

kg /

J

; 2

2

d l

21

222

1

212

J

; 2

G L

21

2212

2.2 NHIỆT LƯỢNG

2.2.1 Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entropi

Từ biểu thức định nghĩa của Entropy chúng ta tính được nhiệt lượng q như sau:

Khi T = const, ta có: q = T (s2 – s1) ( kJ/ kg)

và Q = G q = G T (s2 – s1) (kJ)

2.2.2 Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt dung riêng

Định nghĩa nhiệt dung riêng:

Nhiệt dung riêng (NDR) của một chất nào đó là nhiệt lượng cần thiết để làm cho một đơn vị chất đó biến đổi 1độ theo một quá trình nào đó

Tùy theo đơn vị đo lượng môi chất mà ta có các lọai NDR sau:

- Khi đơn vị đo lượng môi chất là 1 kg ta có NDR khối lượng,

Ta có quan hệ giữa các lọai NDR: c = c’.vtc =

Trong đó: vtc: thể tích riêng của môi chất ở điều kiện tiêu chuẩn.

Tùy theo quá trình nhận nhiệt của môi chất ta có các lọai NDR sau:

- NDR đẳng áp khi quá trình nhận nhiệt xảy ra áp suất không đổi,

ký hiệu: cp

- NDR đẳng tích khi quá trình nhận nhiệt xảy ra thể tích không đổi, ký hiệu: cv

μ

Giữa các loại nhiệt dung riêng ta cũng có thể thiết lập quan hệ và tính đổi lẫn nhau.

Ta có

Mayer qua thực nghiệm đối với khí lý tưởng xác định được quan hệ giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt dung riêng đẳng tích như sau:

, J/ kg.độ

Và cũng có: ,với (k gọi là số mũ đoạn nhiệt).

Từ công thức Mayer ta có thể có các quan hệ sau:

tc p

= C

C p _ v

k

= C

C v p

R k

k C

v p

Bảng 2.1 Bảng tra giá trị của k, µ Cp, và µ Cv xác định bằng thực nghiệm.

(KJ/ Kmolđộ)

µ Cv (KJ/ Kmolđộ)

2.3 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

2.3.1 Phát biểu định luật:

Định luật nhiệt động1 là trường hợp đặc biệt của định luật bảo toàn

và chuyển hóa năng lượng “Năng lượng không tự mất đi và cũng

không tự sinh ra nó chỉ có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác Nói một cách khác, tổng số các dạng năng lượng trong một hệ cô lập bất kỳ là không đổi”

2.3.2 Phương trình của định luật I:

a Dạng tổng quát của phương trình:

Theo định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng ta có phương trình sau: Q = ∆W + Ln12

hay q = ∆w +ln12

b Phương trình của định luật I cho hệ kín và hệ hở:

đốivới khí lý tưởng dq = cvdT + pdv

dq = cpdT - vdp

c Phương trình định luật nhiệt động I cho dòng khí:

Phương trình định luật nhiệt động I cho quá trình hỗn hợp:

ΔW= 0 hay W1 = W2 Trong đó:

W1: năng lượng toàn phần của hệ trước khi xảy ra quá trình hỗn hợp.

W2: năng lượng toàn phần của hệ sau khi xảy ra quá trình hỗn hợp.

) 2

ω (

d + di

= dq

2

ω + i Δ

= w Δ

= q

2 2

2.4 MỘT SỐ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

2.4.1 Quá trình đa biến.

Là quá trình xảy ra khi nhiệt dung riêng không đổi (Cn = const)

Ta có: dq = CndT

dq = CpdT - vdp = CndT

dq = CvdT + pdv = CndT Chia hai vế phương trình ta có phương trình của quá trình:

p.vn = const Trong đó: n là số mũ đa biến và được xác định bằng biểu thức:

n = const, vì Cn, Cp, Cv đều là hằng số.

Nhiệt dung riêng đa biến: n v

vp n

C C

C

C n

C n v

2.4.2.Các trường hợp riêng của quá trình đa biến

1.Quá trình đoạn nhiệt (n = k)

Phương trình của quá trình: pv k = const

2 Quá trình đẳng nhiệt (n =1).

Là quá trình diễn ra trong điều kiện nhiệt độ của chất khí không đổi

Phương trình của quá trình: T = const hay pv = const

3 Quá trình đẳng áp (n = 0)

Là quá trình diễn ra trong điều kiện áp suất của hệ không đổi

Phương trình của quá trình: p = const

4 Quá trình đẳng tích (n = )

Là quá trình diễn ra trong điều kiện thể tích của hệ không đổi

Phương trình của quá trình: v = const

∞

V= Const p= Const T= Const Pvk = Const Pvn = Const

2

T

T P

P

=

1

2 1

2

T

T V

V

=

2

1 1

2

V

V P

V T T V

V P P

1 2 1 1 1 2 2 1 2 1 1 2

2

( )

u G U

t t C

t t C

0

t t

t t C

kg / kJ , t t C

t t C

t t C

0

t t

t t C

kg / kJ , t t C

T

T C

T

T C

p

p R V

V R s

2 lnln

1 2

0

s s

Kkg/kJT

TlnCs

0

0 2

1 n

12 0

V V

1 2 12

l G L

V V P

12 12

2

1 1

2 12

l G L

P

P RT V

V RT l

=

=

12 12

2 1

12 ln

1

l G L

T T n

R l

GL

kg/J,TTln1k

Rl

12 12

2 1 12

KT

l G L

P P V l

.

1 2

=

−

=

2 1

0

P P

U L

U Q

∆

= 12

I L

I Q

L U Q

KT = ∆ +

L L U

Q

= +

∆

=

= +

∆

= 12 12

kJ L

I Q

kJ L

U Q

KT 0 ,

, 0

12

= +

∆

=

= +

∆

=

kJ L

I Q

kJ L U Q

Chương 3: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI

3.2 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG

1 Chu trình thuận chiều: Chất môi giới nhận nhiệt từ nguồn nóng, giãn nở

sinh công và nhả một phần nhiệt lượng còn lại cho nguồn lạnh, chu trình tiến hành theo cùng chiều kim đồng hồ

Công của chu trình sinh ra có thể viết bằng:

trên đồ thị, đó chính là:

Đó chính là hiệu diện tích:

2 Chu trình ngược chiều:

Công của chu trình sinh ra có thể viết bằng:

trên đồ thị, đó chính là: < 0

Đó chính là hiệu diện tích.

v

P2c

b a

P11

v v

pdv l

0

>

l l

=

l ο 234 _ 412

) 1234 (

dt

= ) 214 ba

4 ( dt )

2 ba 234 (

Hình 3.2: Chu trình ngược chiều

1 2

P2c

d

∫

= 21

0

v

v

pdv l

412 234

0 l l

) 1234 (

) 4 412 ( )

2 234

3 Công của chu trình:

Là công của chất môi giới tác dụng tới môi trường hoặc ngược lại môi trường tác dụng tới chất môi giới khi chất môi giới tiến hành một quá trình.

Kí hiệu: lo (J/kg) khi chất môi giới có khối lượng là 1 kg hay Lo (J) khi chất môi giới có khối lượng là G kg.

4 Hiệu suất nhiệt – Hệ số làm lạnh – Hệ số bơm nhiệt: Quan hệ giữa nhiệt lượng q1, q2 và công l0 xác định theo định luật nhiệt động thứ nhất.

Ở đây q1, q2 đều lấy trị số dương, nghĩa là không xét dấu của nhiệt lượng Khi thực hiện chu trình chất môi giới lại quay trở về trạng thái ban đầu nên lượng thay đổi nội năng

Do đó ta có:

Để đánh giá hiệu quả của quá trình biến nhiệt thành công trong chu trình động cơ nhiệt người ta đưa ra khái niệm hiệu suất nhiệt:

η = Trong đó: q1: nhiệt lượng chất môi giới nhận từ nguồn nóng

q2: nhiệt lượng chất môi giới nhả cho nguồn lạnh l0: công sinh ra

(l0 = q1 - │q2│, q = q1 – q2 = Δu + l0, Δu = 0)

ol u q

q

1

ol u q

2 1

2

1

q q

q q

Để đánh giá mức độ hoàn thiện của quá trình chuyển năng lượng trong chu trình máy lạnh, bơm nhiệt người

ta đưa ra khái niệm: Hệ số làm lạnh – Hệ số làm nóng (là hệ số bơm nhiệt).

Hệ số làm lạnh:

ε = =

Hệ số bơm nhiệt:

φ = = = ε + 1

Trong đó: q1: nhiệt lượng chất môi giới nhả cho nguồn nóng

q2: nhiệt lượng chất môi giới nhận từ nguồn lạnh l0: công cấp vào ( q2 = │q1│ + │l0│)

ε: hệ số làm lạnh φ: hệ số bơm nhiệt Nhiệt lượng lấy từ nguồn lạnh q2 càng lớn công tiêu hao càng bé thì hệ số làm lạnh càng lớn Hệ số làm lạnh có thể lớn hơn một.

2

q q

q

−0

1

l

q

2 1

1

q q

q

−