bài tập nhóm môn học KĨ THUẬT NHIỆT ỨNG DỤNG

ab là quá trình nén đoạn nhiệt, nhiệt độ môi chất tăng từ T2 đến T1; bc là quá trình dãn nở đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn nóng có nhiệt độ T1 không đổi và nhận từ nguồn nóng mộ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Môn học

KĨ THUẬT NHIỆT ỨNG DỤNG

Nhóm sinh viên: 8

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tuấn Linh MSV: 2020601061 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đình Lộc MSV: 2020604521 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tuấn Kiệt MSV: 2020608369 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Liêm MSV: 2020604903

Hướng dẫn: ThS Nguyễn Huy Chiến

Hà Nam, 2021

PHẦN 1: LÝ THUYẾT

A NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT

Câu 1: Khái niệm hệ nhiệt động, chất môi giới

- Hệ nhiệt động (HNĐ) là một vật hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác để nghiên cứu những tính chất nhiệt động của chúng

- Chất môi giới (môi chất) được dùng trong các hệ thống nhiệt làm chất trung gian để chuyển hóa giữa các dạng năng lượng (chủ yếu Nhiệt-

Công)

Câu 2: Chu trình carnot thuận chiều

- Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carnot thuận chiều được biểu diễn trên hình 4.3 ab là quá trình nén đoạn nhiệt, nhiệt độ môi chất tăng từ T2 đến

T1; bc là quá trình dãn nở đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn nóng

có nhiệt độ T1 không đổi và nhận từ nguồn nóng một nhiệt lượng là q1 =

T1 (sc - sb ); cd là quá trình dãn nở đoạn nhiệt, sinh công l, nhiệt độ môi chất giảm từ T1 đến T2; da là quá trình nén đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn lạnh có nhiệt độ T1 không đổi và nhả cho nguồn lạnh một nhiệtlượng là q2 = T2 (sa - sd )

Câu 3: Các thông số trạng thái của chất môi giới : nhiệt độ, sự giãn nở vì nhiệt,

thể tích riêng, áp suất

- Nhiệt độ (T) – số đo trạng thái nhiệt của vật Theo thuyết động học phân

tử, nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các phân tử

- Thể tích riêng và khối lượng riêng

o Thể tích riêng (v) – Thể tích riêng của một chất là thể tích ứng với một đơn vị khối lượng chất đó: v = V m [m3/kg]

o Khối lượng riêng (ρ) – Khối lượng riêng – còn gọi là mật độ - của một chất là khối lượng ứng với một đơn vị thể tích của chất đó:

- Entropy (s) là một hàm trạng thái được định nghĩa bằng biểu thức:

ds = dq T

Câu 4 Công thay đổi thể tích, công kỹ thuật

- Công thay đổi thể tích (W) – còn gọi là công cơ học – là công do MCCT sinh ra khi dãn nở hoặc nhận được khi bị nén Công thay đổi thể tích gắn liền với sự dịch chuyển ranh giới của HNĐ

- Công kỹ thuật (Wkt) – là công của dòng khí chuyển động được thực hiện khi áp suất của chất khí thay đổi

Câu 5 Nguyên lý làm việc của máy nhiệt : động cơ nhiệt, máy lạnh kiểu máy

nén, bơm nhiệt

- Động cơ nhiệt: đưa một lưu chất làm việc từ một trạng thái nhiệt độ cao hơn về trạng thái nhiệt độ thấp hơn Một nguồn nóng tạo ra nhiệt năng để đưa lưu chất tới trạng thái nhiệt độ cao Lưu chất làm việc sinh công cơ học trong cơ cấu của động cơ trong khi truyền nhiệt cho một nguồn

lạnh làm mát nó tới một trạng thái nhiệt độ thấp hơn

- Máy lạnh kiểu máy nén: liên tục hút hơi môi chất lạnh sinh ra ở thiết bị bay hơi để nén lên áp suất cao và đẩy vào thiết bị ngưng tụ

- Máy bơm nhiệt là một thiết bị vận hành theo nguyên lý nhiệt động lực học, với mục đích là vận chuyển một nhiệt lượng từ môi trường này sang môi trường khác

Câu 6 Nhiệt dung riêng và cách tích nhiệt lượng

- Nhiệt dung riêng (NDR) – còn gọi là tỷ nhiệt – là lượng nhiệt cần cung cấp hoặc toả ra từ 1 đơn vị số lượng vật chất để nhiệt độ của nó thay đổi

 Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất:

o Nhiệt dung riêng khối lượng: c = C m

o Nhiệt dung riêng thể tích: c = V C

tc

o Nhiệt dung riêng mol: C µ = C N

Câu 7: Khí lý tưởng, phương trình trạng thái của khí lý tưởng, các hàm trạng

thái của khí lý tưởng

- Hỗn hợp khí lý tưởng là hỗn hợp cơ học của hai hoặc nhiều chât khí lý tưởng, khí lý tưởng là khí không xảy ra phản ứng hoá học giữa các chất khí thành phần

- Phương trình trạng thái khí lý tưởng

Câu 9: Quá trình đa biến và dựa vào phương trình PVn = const trình bày các

quá trình đắng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp, đoạn nhiệt biểu diễn các quá trình trên biểu đồ p-v, T-s

Câu 10: Quá trình tiết lưu của khí và hơi : các khái niệm và công thức tốc độ

âm thanh, quan hệ giữa tốc độ với áp suất dòng và hình dạng ống

Câu 11: Định luật nhiệt động thứ 2 : hàm trạng thái entropi, biểu thức giải tích

của định luật NĐ thứ 2 Biến đổi entropi trong quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch và trong quá trình đoạn nhiệt

Câu 12: Chu trình máy lạnh kiểu máy nén hơi 1 cấp

- Nguyên lý làm việc vủa máy lạnh: dựa trên cơ sở chu trình ngược chiều dùng hơi Sơ đồ nguyên lý gồm:

- Nguyên lý làm việc như sau hơi tạo thành bị bay hơi được máy nén C hút

về và nén tới áp suất cao và nhiệt độ cao gọi là áp suất nhiệt độ ngưng tụ, hơi thải nhiệt cho môi trường có nhiệt độ tm để ngưng tụ thành lỏng ở áp suất cao và nhiệt độ cao (để đảm bảo dòng nhiệt toả ra từ thiết bị ngưng

tụ ra môi trường thì tK > tm Chất lỏng có áp suất cao và nhiệt độ cao sẽ

đi qua van tiết lưu A để vào bình bay hơi Qua van tiết lưu áp suất của mọi chất lỏng giám xuống tới áp suất bay hơi (p0) và nhiệt độ bay hơi (t0) Như vậy vòng tuần hoàn của môi chất được khép kín

Câu 13: Chu trình bơm nhiệt và các nhân tố ảnh hưởng tới chỉ số hiệu quả bơm

nhiệt tại sao bơm nhiệt có thể làm việc ở 2 chế độ: cấp lạnh và cấp nhiệt

- Chu trình bơm nhiệt là chu trình hoạt động theo nguyên lý Nhiệt động lựchọc nhằm mục đích vận chuyển một nhiệt lượng từ môi trường này sang môi trường khác

- Các nhân tố ảnh hưởng tới chỉ số hiệu quả bơm nhiệt là:

o Độ hoàn thiện của máy nén

o Độ tương thích giữa các thiết bị trong hệ thống lạnh như máy nén, dànngưng, dàn bay hơi, van tiết lưu, đường ống, các thiết bị phụ…

o Công nghệ và vật liệu mới (náy nén biến tần, van tiết lưu điện tử, các thiết bị tự động hoá hiện đại…)

o Điều kiện lắp đặt đúng tiêu chuẩn (lắp đặt, hút chân không, nạp dầu, nạp ga đúng tiêu chuẩn…)

o Điều kiện vận hành hợp lý

B.PHẦN TRUYỀN NHIỆT

Câu 1: Trình bày định nghĩa các khái niệm sau: Dẫn nhiệt, trường nhiệt độ, mặt

đẳng nhiệt, Gradian nhiệt độ, dòng nhiệt, mật độ dòng nhiệt, định luật Fourier

về dẫn nhiệt, hệ số dẫn nhiệt

 Dẫn nhiệt là hiện tượng các phân tử vật 1 va chạm (trực tiếp hoặc thông qua các điện tử do trong vật) vào các phân tử vật 2 để truyền một phần động năng

 Trường nhiệt độ là tập hợp tất cả các giá trị nhiệt độ tức thời trong

khoảng thời gian đang xét của mọi điểm trong hệ vật khảo sát

 Tại một thời điểm cho trước tập hợp các điểm có cùng một giá trị nhiệt

độ tạo ra trong không gian của trường một mặt, được gọi là mặt đẳng nhiệt

 Gradien nhiệt độ là đại lượng vật lý mô tả hướng có tốc độ thay đổi nhiệt

độ nhanh nhất, ở xung quanh một vị trí, và độ lớn của mức độ thay

đổi nhiệt độ nhanh nhất này

 Để đặc trưng cho độ lớn và phương chiếu dòng nhiệt truyền qua mặt đẳngnhiệt ta định nghĩa dòng nhiệt q là vecto có độ lớn bằng lượng nhiệt q(W/m2) truyền qua 1m2 mặt đẳng nhiệt trong 1 giây, trên hướng pháp tuyến mặt đẳng nhiệt theo chiều giảm nhiệt độ

 Mật độ dòng nhiệt là một đại lượng vật lý dùng để mô tả định lượng quá trình trao đổi nhiệt.

 Định luật Fourier là định luật cơ bản cho hiện tượng dẫn nhiệt, nói rằng: Mật độ dòng nhiệt chảy qua một vật liệu trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với trái dấu của gradien nhiệt độ theo chiều dòng nhiệt và với diện tích vuông góc với dòng nhiệt

 Hệ số truyền nhiệt của vật liệu là một thông số vật lý quan trọng trong việc tính toán các quá trình trao đổi nhiệt

Câu 2: Dẫn nhiệt ổn định khi không có nguồn nhiệt bên trong qua vách phẳng

Câu 3: Thế nào là trao đổi nhiệt đối lưu? Những nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi

nhiệt đối lưu?

Đối lưu nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau hoặc sự

truyền nhiệt từ một hệ rắn sang một hệ lỏng (hoặc khí) và ngược lại

Câu 4: Công thức Newton và các phương pháp xác định hệ số tỏa nhiệt?

- Lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu giữa bề mặt tiếp xúc với chất lỏng trong 1 đơn vị thời gian được xác định theo công thức Newton

o Phương pháp lý thuyết: Giải các phương trình vì phân, phương pháp này phức tạp

o Phương pháp thực nghiệm: Nếu thực nghiệm đơn thuần thì kết quả này chỉ đúng cho trường hợp làm thí nghiệm Muốn kết quả thí nghiệm được ứng dụng rộng ta phải sử dụng thêm lý thuyết đồng dạng

Câu 5 và câu 6: Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn và trao

đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hữu hạn

Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt thực hiện khi chất lỏng hay chất khí chuyển động tự nhiên

Nguyên nhân gây ra chuyển động tự nhiên là chênh lệch mật độ giữa những vùng có nhiệt độ khác nhau

Chuyển động tự nhiên phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng hoặc khí và

độ chênh nhiệt độ

Đối lưu tự nhiên có thể xảy ra trong không gian vô hạn hoặc hữu hạn

 Trao đổi nhiệt đối lưu trong không gian vô hạn: đủ lớn để trong đó quá trình đốt nóng hoặc làm nguội chất lỏng hay chất khí xảy ra độc lập Xét 2 dạng không gian vô hạn: ống hoặc tấm phẳng đặt đứng và ống hoặc tấm phẳng đặt nằm ngang

- Bề mặt nóng quay lên trên tăng 30% so với công thức

- Bề mặt nóng quay xuống dưới giảm 30% so với công thức

 Trao đổi nhiệt đối lưu trong không gian hữu hạn:

Không gian hữu hạn: quá trình đốt nóng hoặc làm nguội chất lỏng hay chất khí có ảnh hưởng lẫn nhau

Các dạng không gian hữu hạn:

T m

sóng c nào đó, sau đó I0 giảm.

2 Khi nhiệt độ tăng , I0 tăng rất nhanh ở mọi bước sóng nhưng c càng giảm

3 Năng suất bức xạ tập trung trong giải sóng hẹp từ 0,8 đến 10m , khi nhiệt

độ càng cao năng suất bức xạ tập trung ở các sóng càng ngắn

II Định luật Viên

Định luật Viên xác định mối quan hệ giữa bước sóng c tại đó cường độbức xạ của vật đen tuyệt đối I0 đạt cực đại với nhiệt độ Theo định luật Viênbước sóng c tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối theo hàm :

Đồ thị cường độ bức xạ của vật đen tuyệt đối

-Năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối mũ bốn

Trong kỹ thuật thường viết dưới dạng :

E0=C0..¿ (2)

C0 gọi là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối, C0 = 5,67 W/m2K4

Định luật Stêphan-Bônzơman chỉ được thiết lập với vật đen tuyệt đối cóA=1 Các vật xám luôn có A<1 , tuỳ thuộc giá trị A của mỗi vật xám mà năngsuất bức xạ của vật xám E sẽ khác nhau Nhưng năng suất bức xạ của vật xámluôn nhỏ hơn năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ : E < E0

Để đánh giá năng suất bức xạ của vật xám dùng tỷ số E/E0 ký hiệu là  :

ε= E

E0 (3)

 được gọi là độ đen của vật xám Thấy rằng  < 1 , vậy độ đen của vật xám  đặc trưng cho sự thua kém về khả năng bức xạ của vật xám so với vật đen tuyệt đối

Từ đó tính được năng suất bức xạ của vật xám :

E=E0 ε=ε C0.¿ (4)

C = .C0 á trị : từ 0 đến 5,67 w/ m2K4

C gọi là hệ số bức xạ của vật xám, có gi á trị : từ 0 đến 5,67 w/ m2K4

IV Định luật Kiếc-Sốp

Định luật Kiếc-Sốp thiết lập mối quan hệ giữa khả năng bức xạ và hệ sốhấp thụ của vật xám Xét trao đổi nhiệt giữa hai tấm phẳng song song qua môitrường trong suốt , có khoảng cách nhỏ hơn nhiều bề rộng tấm

Tấm thứ nhất là vật đen tuyệt đối có nhiệt độ T0, hệ số hấp thụ A0 = 1 ,năng suất bức xạ E0 Tấm thứ hai là vật xám có nhiệt độ T, năng suất bức xạ

E , hệ số hấp thụ A < 1

Vật đen bức xạ E0 sang vật xám bị vật xám hấp thụ A.E0 , phần còn lại (1- A)E0 phản xạ sang vật đen được vật đen hấp thụ hoàn toàn Vật xám bức xạ E sang vật đen, được vật đen hấp thụ hoàn toàn

Khi cân bằng hai vật có nhiệt độ bằng nhau, trên mỗi vật năng lượng bức xạ ra bằng năng lượng hấp thu được Vật xám bức xạ E, hấp thu A.E0 :

E=A.E0

Từ đó: E A=E0=C0.¿

Tổng quát : E 1 A 1=E 2

A 2=…=E0= f(T)Vậy:

“ Tỷ số giữa khả năng bức xạ và khả năng hấp thụ của mọi vật xám ở nhiệt độ như nhau thì luôn bằng nhau và bằng khả năng bức xạ của vật đen tuyệtđối ở cùng nhiệt độ đó “

Câu 7: Khái niệm trao đổi nhiệt bức xạ

Trao đổi nhiệt là sự truyền dẫn nhiệt năng khi có sự chênh lệch nhiệt độ Lượng nhiệt năng trong quá trình trao đổi được gọi là nhiệt lượng và là một quá trình biến thiên Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra theo hướng chuyển nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt

độ thấp Cần phân biệt trao đổi nhiệt với cân bằng nhiệt, là quá trình trao đổi nhiệt giữa hai hoặc nhiều vật chất tới khi đạt được một nhiệt

độ chung Đại lượng vật lý mô tả sự trao đổi nhiệt là dòng nhiệt Sự trao đổi nhiệt tại một bề mặt (ví dụ ranh giới rắn/lỏng, rắn/khí) được biểu diễn thông qua hệ số truyền nhiệt (α hoặc h).

Câu 8: Khái niệm: Hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ, hệ số xuyên qua, năng suất

bức xạ, năng suất bức xạ riêng và năng suất bức xạ hiệu dụng

Dòng năng lượng bức xạ Q tới vật, một phần phản xạQ R, một phần ấp thụ

Q A và một phần xuyên qua Q D

Q=Q A+Q D+Q R

-Hệ số hấp thu là tỉ số giữa dòng năng lượng hấp thụ và dòng năng lượng bức xạ tới vật.

A=Q A Q

-Hệ số phản xạ là tỉ số giữa dòng năng lượng phản xạ và dòng năng lượngtới vật

R=Q R

Q

-Hệ số xuyên qua là tỉ số giữa dòng năng lượng xuyên qua và dòng năng lượng tới vật.

D=Q D

Q

Những hệ số trên đặc trưng cho tính chất của vật, phụ thuộc vào bản chất vật lí, nhiệt độ, trạng thái bề mặt và chiều dài bước song bức xạ tới

+ A=1 ( R+D=0): Vật đen tuyệt đối

+ R=1 (A+D=0): Vật trắng tuyệt đối

+ D=1 (A+R=0): Vật trong tuyệt đối

Năng suất bức xạ: Là dòng bức xạ toàn phần trên một đơn vị diện tích

bề mặt của vật, kí hiệu: E, đơn vị W/m3, năng suất bức xạ đặc trưng cho bức xạ nhiệt của vật

E=dQ dF *Q là dòng bức xạ toàn phần

Năng suất bức xạ hiệu dụng: là tổng năng suất bức xạ bản thân và bức

xạ phản xạ

E hd=E+E R=E +E t

*Et, ER là năng suất bức xạ tới và năng suất bức xạ phản xạ

Ngoài năng suất bức xạ hiệu dụng vật còn hấp thu năng lượng gửi tớivới năng suất hấp thụ:

EA=A.Et

Câu 9: Các định luật cơ bản về bức xạ nhiệt.

PHẦN 2 BÀI TẬP

1 Xác định thế tích riêng, khối lượng riêng của khí O2 ở điều kiện tiêuchuẩn và ở điều kiện có áp suất dư là 1,2 atm, nhiệt độ 227OC Biết áp suất khíquyển là 760 mm Hg ở 0OC

Áp suất tuyệt đối: p = p0 + pd = 2,189.105 Pa

Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng ta có

2 Một bình có thể tích 0,6 m3 chứa không khí ở áp suất dư 2,2 bar, nhiệt

độ 20OC Lượng không khí cần thoát ra khỏi bình là bao nhiêu để áp suất trongbình có độ chân không 420 mm Hg trong điều kiện nhiệt độ trong bình xem nhưkhông đổi Biết áp suất khí trời là 760 mm Hg

Vậy lượng không khí thoát ra khỏi bình: G = G1 - G2 = 1,247 kg

3 Một bình thế tích 250 lít chứa 0,4 kg khí N2, áp suất khí quyển là 1 bar

a Nếu nhiệt độ trong bình là 17OC thì chỉ số chân không kế gắn trên nắpbình là bao nhiêu?

b Nếu nhiệt độ trong bình là 147OC thì chỉ số áp kế là bao nhiêu?

Trả lời:

Tóm tắt:

4 Xylanh có đường kính d = 500mm chứa không khí có thể tích 0,09 m3,

áp suất 3,6 at, nhiệt độ 25OC Nếu không khí nhận nhiệt trong điều kiệnpittông chưa kịp dịch chuyển và nhiệt độ không khí tăng tới 498 OC Hỏi lựctác dụng lên mặt pittông và khối lượng không khí có trong xylanh là baonhiêu?

Trả lời:

5 Người ta đốt nóng 1,2 kg không khí trong điều kiện áp suất không đổi

2 bar, từ nhiệt độ 20OC đến 130OC Tính thể tích cuối, lượng nhiệt, công thayđổi thể tích, lượng thay đổi nội năng entrôpi

Trả lời:

6 Khi nén đẳng nhiệt 1,8 kilômol khí hêli cần thải một lượng nhiệt

4100kJ Xác định thể tích đầu và cuối quá trình, áp suất cuối và công thay đổi

thể tích của quá trình nén nếu quá trình được tiến hành ở nhiệt độ 30OC và ápsuất 6,5 bar.

Trả lời:

7 Không khí có thể tích 2,68 m3, nhiệt độ 25OC, áp suất 1 bar, khi bị nén đoạn nhiệt không khí nhận công thay đổi thể tích 501 kJ Xác định nhiệt độ cuối, sự thay đổi nội năng và entanpi

8 1,5 kg không khí được nén đa biến n = 1,3 trong máy nén từ nhiệt độ

20OC áp suất 0,981 bar đến áp suất 7,845 bar Xác định nhiệt độ không khí sau