Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - ĐH Phạm Văn Đồng

Phần 2: “ Cơ sở truyền nhiệt”, nghiên cứu các quy luật truyền nhiệt năng trong một vật hoặc giữa các vật có nhiệt độ khác nhau.[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG

KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ

*******

ThS.TRƯƠNG QUANG DŨNG B - ThS ĐÀO MINH ĐỨC

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT NHIỆT

(Dùng cho bậc ĐH)

Quảng Ngãi, 4/2016

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật nhiệt là một trong những môn học cơ sở ngành của sinh viên

ngành cơ khí Đây là học phần nghiên cứu nhiệt động học và cơ sở truyền nhiệt, dựa trên cơ sở các kiến thức này giúp sinh viên có thể vận dụng tính toán, thiết kế các thông số cơ bản trong hệ nhiệt động và truyền nhiệt

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt biên soạn gồm 7 chương, nội dung trình bày

gồm hai phần chính:

Phần 1: “ Nhiệt động kỹ thuật”, nghiên cứu các quy luật chuyển hóa năng lượng giữa nhiệt và công

Phần 2: “ Cơ sở truyền nhiệt”, nghiên cứu các quy luật truyền nhiệt năng trong một vật hoặc giữa các vật có nhiệt độ khác nhau

Chúng tôi hy vọng với Bài giảng này phần nào tạo điều kiện cho sinh viên

ngành Cơ khí tại Trường Đại học Phạm Văn Đồng có thêm tài liệu học tập và nghiên cứu học phần Kỹ thuật nhiệt

Đây là lần biên soạn đầu tiên, chắc chắn tài liệu không tránh khỏi có những sai sót Mọi góp ý xin gửi về địa chỉ email sau: dmd2482004@yahoo.com Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

Tháng 4-2016

Nhóm biên soạn

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT Ở THỂ KHÍ 9

1.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ NHIỆT 9

1.1.1 Máy nhiệt thuận chiều 9

1.1.2 Máy nhiệt ngược chiều 9

1.1.3 Môi chất 10

1.1.4 Hệ nhiệt động 10

1 2 SỰ THAY ĐỔI TRẠNG THÁI VÀ CHUYỂN PHA CỦA ĐƠN CHẤT .10

1.2.1 Các quá trình 10

1.2.2 Các trạng thái 11

1.3 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI 11

1.3.1.Thể tích riêng 11

1.3.2 Áp suất (chất lỏng hoặc chất khí) 11

1.3.3 Nhiệt độ 12

1.3.4 Nội năng 12

1.3.5 Năng lượng đẩy 12

1.3.6 Entanpi 13

1.3.7 Entropi 13

1.3.8 Execgi 13

1.4 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT 13

1.4.1 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng 14

1.4.2 Phương trình trạng thái của khí thực 14

Chương 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC QUÁ

TRÌNH NHIỆT CƠ BẢN CỦA MÔI CHẤT Ở PHA KHÍ 16

2.1 NHIỆT, CÔNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 16

2.1.1 Nhiệt năng 16

2.1.1.1 Khái niệm 16

2.1.1.2 Cách tính nhiệt 16

2.1.1.3 Nhiệt dung riêng 17

2.1 2 Công 19

2.1.2.1 Khái niệm 19

2.1.2.2 Phân loại công 19

2.2 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 20

2.2.1 Phát biểu định luật nhiệt động I 20

2.2.2 Các dạng biểu thức của định luật nhiệt động I 21

2.3 CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC 21

2.3.1 Khái niệm 21

2.3.1.1 Cơ sở lí thuyết để khảo sát một quá trình nhiệt động 22

2.3.1.2 Nội dung khảo sát 22

2.3.2 Các quá trình có một thông số bất biến 23

2.3.2.1 Quá trình đa biến 23

2.3.2.2 Quá trình đẳng tích 25

2.3.2.3 Quá trình đẳng áp 26

2.3.2.4 Quá trình đẳng nhiệt 27

2.3.2.5 Quá trình đoạn nhiệt 28

Chương 3: MỘT SỐ QUÁ TRÌNH KHÁC CỦA KHÍ VÀ HƠI 32

3.1 QUÁ TRÌNH LƯU ĐỘNG 32

3.1.1 Các điều kiện khảo sát 32

3.1.2 Các qui luật chung của quá trình lưu động 32

3.1.2.1 Tốc độ âm thanh 32

3.1.2.2 Quan hệ giữa tốc độ và áp suất của dòng 33

3.1.2.3 Quan hệ giữa tốc độ và hình dáng ống 33

3.2 QUÁ TRÌNH TIẾT LƯU 34

3.2.1 Định nghĩa 35

3.2.2 Tính chất của quá trình tiết lưu 35

3.3 MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CỦA KHÔNG KHÍ ẨM 36

3.3.1 Không khí ẩm 36

3.3.1.1 Định nghĩa và tính chất của không khí ẩm 36

3.3.1.2 Phân loại không khí ẩm 36

3.3.1.3 Các đại lượng đặc trưng cho không khí ẩm 37

3.3.1.4 Đồ thị i-d 39

3.3.2 Các quá trình của không khí ẩm 40

3.3.2.1.Quá trình sấy 40

3.3.2.2 Quá trình điều hòa không khí 40

3.4 QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA MÁY NÉN KHÍ 41

3.4.1 Các loại máy nén 41

3.4.2 Máy nén piston một cấp 41

3.4.2.1 Những quá trình trong máy nén piston một cấp lí tưởng 41

3.4.2.2 Công tiêu thụ của máy nén một cấp lí tưởng 42

3.4.3 Máy nén nhiều cấp 42

3.4.3.1 Quá trình nén trong máy nén nhiều cấp 42

3.4.3.2 Chọn áp suất trung gian 43

Chương 4: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II VÀ CHU TRÌNH CARNOT.45 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG 45

4.1.1 Chu trình thuận nghịch và không thuận nghịch 45

4.1.2 Chu trình thuận chiều 46

4.1.3 Chu trình ngược chiều 46

4.2 CHU TRÌNH CARNOT THUẬN NGHỊCH 47

4.2.1 Chu trình Carnot thuận chiều 47

4.2.2 Chu trình Carnot ngược chiều 48

4.2.3 Một vài cách phát biểu của định luật nhiệt động II 49

4.3 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 50

4.3.1 Chu trình động cơ đốt trong 50

4.3.1.1 Khái niệm 50

4.3.1.2 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 51

4.3.1.3 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích 53

4.3.1.4 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp 54

4.3.2 Chu trình tuốc bin khí 55

4.3.2.1 Sơ đồ thiết bị và nguyên lý hoạt động của tuốc bin khí 55

4.3.2.2 Chu trình tuốc bin khí cấp nhiệt đẳng áp 56

Chương 5: DẪN NHIỆT 59

5.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 59

5.1.1 Dẫn nhiệt 59

5.1.2 Trường nhiệt độ 59

5.1.3 Mặt đẳng nhiệt 60

5.1.4 Gradient nhiệt độ: 60

5.1.5 Dòng nhiệt và mật độ dòng nhiệt 61

5.1.6 Định luật Fourier về dẫn nhiệt 61

5.1.7 Hệ số dẫn nhiệt 61

5.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT 62

5.2.1 Phương trình vi phân dẫn nhiệt 62

5.2.2 Điều kiện đơn trị 63

5.3 DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH MỘT CHIỀU VÀ KHÔNG CÓ DÒNG NHIỆT BÊN TRONG 64

5.3.1 Dẫn nhiệt trong vách phẳng 64

5.3.1.1 Vách 1 lớp, biên loại 1 64

5.3.1.2 Vách n lớp, biên loại 1 64

5.3.2 Dẫn nhiệt trong vách trụ 65

5.3.2.1 Trụ một lớp, biên loại 1 65

5.3.2.2 Trụ n lớp biên loại 1 66

5.5 DẪN NHIỆT KHÔNG ỔN ĐỊNH 67

5.5.1 Định nghĩa 67

5.5.2 Dẫn nhiệt không ổn định, không có nguồn trong 67

5.5.3 Dẫn nhiệt không ổn định, không có nguồn trong của tấm phẳng 68

Chương 6: CÁC QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT 70

6.1 TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU 70

6.1.1 Khái niệm chung về trao đổi nhiệt đối lưu 70

6.1.1.1 Định nghĩa và phân loại 70

6.1.1.2 Công thức tính nhiệt cơ bản 70

6.1.1.3 Hệ số tỏa nhiệt α 70

6.1.1.4 Các thông số ảnh hưởng tới hệ số tỏa nhiệt α 71

6.1.2 Phương trình tiêu chuẩn của tỏa nhiệt 72

6.1.2.1 Phương pháp phân tích thứ nguyên 72

6.1.2.2 Dạng tổng quát của phương trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt 72

6.1.2.3 Các dạng đặc biệt của phương trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt 74

6.1.3 Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên 74

6.1.3.1 Khái niệm 74

6.1.3.2 Đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn 74

6.1.3.3 Đối lưu tự nhiên trong không gian hữu hạn 75

6.1.4 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức 77

6.1.4.1.Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, chảy tầng trong ống 77

6.1.4.2 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, chảy rối trong ống 77

6.2 TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ 77

6.2.1 Các khái niệm cơ bản 77

6.2.2 Các đại lượng đặc trưng cho bức xạ 78

6.2.2.1 Công suất bức xạ toàn phần Q 78

6.2.2.2 Cường độ bức xạ toàn phần E 79

6.2.2.3 Cường độ bức xạ đơn sắc 79

6.2.3 Các hệ số A, D,R và ε 79

6.2.3.1 Các hệ số hấp thụ A, phản xạ R và xuyên qua D 79

6.2.3.2 Vật xám và hệ số bức xạ hay độ đen ε 80

6.2.3.3 Bức xạ hiệu dụng và bức xạ hiệu quả 80

6.2.4 Các định luật cơ bản của bức xạ 80

6.2.4.1 Định luật Planck 81

6.2.4.2 Định luật Wien 81

6.2.4.3 Định luật Stefan-Boltzmann 81

6.2.4.4 Định luật Kirchkoff 82

6.2.5 Tính trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa các vật trong môi trường trong suốt 82

6.2.5.1 Bức xạ giữa 2 mặt phẳng, rộng vô hạn, song song (không màn chắn) 82

6.2.5.2 Bức xạ giữa 2 mặt phẳng, rộng vô hạn, song song (có màn chắn) .83

6.2.6 Bức xạ của chất khí 83

6.2.6.1 Đặc điểm bức xạ của chất khí 83

6.2.6.2 Năng suất bức xạ chất khí 84

6.2.7 Trao đổi nhiệt bức xạ giữa khối khí với bề mặt bao quanh nó 84

6.2.8 Bức xạ mặt trời 85

Chương 7: TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 87

7.1 TRUYỀN NHIỆT 87

7.1.1 Truyền nhiệt và phương trình cân bằng nhiệt khi ổn định nhiệt 87

7.1.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng 87

7.1.2.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng 1 lớp 87

7.1.2.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp 89

7.1.3 Truyền nhiệt qua vách trụ nhiều lớp 89

7.1.4 Truyền nhiệt qua vách phẳng có cánh 90

7.2 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 91

7.2.1 Định nghĩa và phân loại 91

7.2.2 Các phương trình cơ bản để tính nhiệt cho thiết bị TĐN 92

7.2.2.1 Phương trình cân bằng nhiệt 92

7.2.2.2 Phương trình truyền nhiệt 93

7.2.3 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn 94

7.2.4 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình (song song) 94

7.2.5 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình (Cắt nhau) 95

7.2.6 Tính nhiệt độ cuối chất tải nhiệt 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH

TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT Ở THỂ KHÍ

1.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ NHIỆT 1.1.1 Máy nhiệt thuận chiều

và cùng có chung một nguyên lý: Môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng chuyển thể

và biến một phần nhiệt năng thành cơ năng và nhả nguồn nhiệt còn lại cho nguồn lạnh

Hình 1.1: Động cơ đốt trong

Hình 1.2: Tua bin khí

1.1.2 Máy nhiệt ngược chiều

Môi chất nhận công từ máy nén nhả nhiệt cho nguồn nóng chuyển thể và nhận nhiệt từ nguồn lạnh

- Điều hoà không khí (làm lạnh, sưởi ấm), hút ẩm trong các lĩnh vực: dân dụng, công nghiệp

- Kho lạnh, tủ lạnh bảo quản thực phẩm

- Kho lưu trữ tài liệu (sách báo, phim ảnh…)

1.1.3 Môi chất

thay đổi thể tích lớn)

- Môi chất trong tự nhiên đều là khí thực

- Tính toán với khí thực phải dùng bảng hoặc đồ thị Trong một số trường hợp (vd: không khí, hyđrô, ôxy ở áp suất thấp và nhiệt độ bình thường), môi chất

có thể xem là khí lý tưởng khi bỏ qua thể tích phân tử, nguyên tử và lực tương tác giữa chúng

- Tính toán với khí lý tưởng có thể dùng phương trình trạng thái và các

công thức

1.1.4 Hệ nhiệt động

tách ra để nghiên cứu gọi là hệ nhiệt động, phần còn lại gọi là môi trường

a) Hệ thống kín và hở

ranh giới giữa hệ thống và môi trường

b) Hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt

chất và môi trường ( hoặc cơ năng và nhiệt năng với môi trường)

1 2 SỰ THAY ĐỔI TRẠNG THÁI VÀ CHUYỂN PHA CỦA ĐƠN CHẤT 1.2.1 Các quá trình

a) Quá trình nóng chảy và đông đặc

- Đông đặc là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha rắn

b) Hóa hơi và ngưng tụ

- Hóa hơi là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi

- Ngưng tụ là quá trình chuyển từ pha hơi sang pha lỏng

c) Thăng hoa và ngưng kết

1.2.2 Các trạng thái

hơi xong

lúc vừa có sôi và hơi

- Khí lý tưởng và khí thực: Trong thực tế chỉ có khí thực, khôngcó khí lý tưởng Khi áp suất giảm và nhiệt độ tăng thể tích bản thân phân tử và sự tương tác giữa chúng nhỏ, có thể bỏ qua nên môi chất được coi là khí lý tưởng

1.3 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI 1.3.1.Thể tích riêng

1.3.2 Áp suất (chất lỏng hoặc chất khí)

diện tích thành bình

(1.3)

3

3

V

v ; m kg G

G 1

; kg m

V v

ρ

2

F

p ; N m

S ⎡ ⎤

2 2

N

m

⎢ ⎥

⎣ ⎦

+ Áp suất dư pd= p-pk

- Dụng cụ đo áp suất (áp kế):

1.3.3 Nhiệt độ

- Là mức đo độ nóng, lạnh của vật Theo thuyết động học phân tử, là số đo động năng của các phân tử

- Thang nhiệt độ: t[oC], T[K], t[F] (Farenheit)

- Các loại nhiệt kế: nhiệt kế chất lỏng (thuỷ ngân, rượu…); nhiệt kế điện trở; cặp nhiệt; nhiệt kế bán dẫn…

1.3.4 Nội năng

- Là toàn bộ năng lượng bên trong vật Ký hiệu: U [J] hay u [J/kg]

- Trong nhiệt động, chỉ xét nội nhiệt năng vì biến đổi của các dạng nội

năng khác (hoá năng, năng lượng nguyên tử) luôn bằng không

thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử hay thể tích riêng) u = u(T,v) hoặc u =

u(T) với khí LT

du = CvdT hay Δu = u2 – u1 = Cv(T2 – T1) (1.4)

1.3.5 Năng lượng đẩy

- Ký hiệu: D [J] hay d [J/kg]

D = pV và d = pv (1.5)

9

t C T K= − = t F−

0 0 0 0

d(D) = d(pV) và d(d) = d(pv)

nghĩa năng lượng đẩy

1.3.6 Entanpi

- Là 1 thông số trạng thái không đo được trực tiếp mà phải tính toán qua các thông số cơ bản u, p và v

- Ký hiệu: I [J] hay i [J/kg]

di = CpdT; Δi = i2 – i1 = Cp(T2 – T1) (1.8)

1.3.7 Entropi

- Là 1 thông số trạng thái

- Ký hiệu: S[J/K] hay s [J/kgK]

(1.9)

+ ds: vi phân entropi

+ dq: vi phân nhiệt lượng của quá trình

+ T: nhiệt độ của chất khí trong quá trình [K]

1.3.8 Execgi

- Là 1 phần của năng lượng nhiệt chỉ có thể biến đổi thành công trong quá trình thuận nghịch

- Ký hiệu: E[J] hay e [J/kg]

q = e + a (1.10)

thuận nghịch)

1.4 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT

T dq

ds =

1.4.1 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng

Biểu diễn quan hệ các thông số trạng thái khí lý tưởng ở một thời điểm nào đó, dược xét bằng thực nghiệm và biểu hiện như sau:

(Với 1 kg khí lý tưởng) (1.11) (G kg khí lý tưởng) (1.12) (M kmol khí lý tưởng) (1.13)

Trong đó:

1.4.2 Phương trình trạng thái của khí thực

thường xảy ra với khí thực, nên nếu áp dụng phương trình khí lý tưởng cho khí thực sẽ cho sai số lớn do đó cần phải có phương trình dành cho khí thực

lớn):

(1.14) + a: hệ số hiệu chỉnh áp suất

+ b: hệ số hiệu chỉnh thể tích riêng

khí

Ví dụ 1.1: Xác định thể tích riêng, khối lượng riêng của khí N2 ở điều kiện tiêu

quyển 760 mmHg

Lời giải:

8314 J/kmol.K J/kg.K

pv RT

pV GRT

pV MR T

pV R T R

R R

μ

μ μ

μ

=

=

=

=

=

=

2

a

p v b RT v

lượng riêng ρ0 của khí N2 được xác định từ phương trình trạng thái:

Ví dụ 1.2: Một bình kín có thể tích 250 lít chứa 1,7 kg khí oxygen ở nhiệt độ

Lời giải:

Áp suất tuyệt đối trong bình là:

3

5

G.R.T p

V

G 1,7kg;

8314

R 259,8125 J / kg.K 32

T 50 273 323K

V 0,25m 1,7 x259,8125x323

0,25

=

=

=

Áp kế chỉ áp suất dư:

p d =p - p kq =5,7-1=4,7 [ bar]

BÀI TẬP CHƯƠNG 1

Bài tập 1.1: Xác định thể tích của 3 kg khí O2 ở áp suất 4,2 bar, nhiệt độ 500C

Bài tập 1.2: Một bình có thể tích 200 lít, chứa 0,2 kg khí N2, áp suất khí quyển là 1

nắp bình

Bài tập 1.3: Xác định khối lượng riêng và thể tích riêng của không khí ở điều kiện

0

0

3 5

3

;

8314 8314

; 127 273 400 ; 28

760

10 0, 2.0,98.10 1, 21.10 / ; 750

8314.400

0,98 / ; 28.1, 21.10

1, 02 / 0.98

d

RT

p v RT v

p

RT

p

kg m v

μ

ρ

Chương 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC QUÁ

TRÌNH NHIỆT CƠ BẢN CỦA MÔI CHẤT Ở PHA KHÍ

2.1 NHIỆT, CÔNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

Nhiệt và công là các đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa môi chất và môi trường khi thực hiện một quá trình Khi môi chất trao đổi công với môi trường thì kèm theo các chuyển động vĩ mô, còn khi trao đổi nhiệt thì

luôn tồn tại sự chênh lệch nhiệt độ

2.1.1 Nhiệt năng

2.1.1.1 Khái niệm

hoặc q [J/kg, cal/kg] và là hàm quá trình Nhiệt chỉ xuất hiện ở ranh giới giữa hệ nhiệt động đang xét và môi trường khi nó truyền qua Hệ nhiệt động không chứa nhiệt, chỉ chứa năng lượng

- Qui ước: + Nếu q > 0 ta nói vật nhận nhiệt

+ Nếu q < 0 ta nói vật nhả nhiệt

- Trong trường hợp cân bằng (khi nhiệt độ các vật bằng nhau), vẫn có thể xảy ra khả năng truyền nội năng từ vật này sang vật khác (xem là vô cùng chậm)

ở trạng thái cân bằng động

2.1.1.2 Cách tính nhiệt

a) Tính theo nhiệt dung riêng:

Q = V

tc C’Δt [J/m3

Q = MC μ Δt [J/kmolK] (2.3) Trong đó :

+ C: nhiệt dung riêng khối lượng

b) Tính theo entropi :

(2.4)

2

1

s

s

q= ∫Tds