Cơ khí chế tạo máy - Kỹ thuật nhiệt

KỸ THUẬT NHIỆT Lê Anh Sơn Bộ môn: Động Lực Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT  Những khái niệm cơ bản  Môi chất và cách xác định trạng thái của chúng  Các quá trình nhiệt động của môi chất  Chu trình nhiệt động TRUYỀN NHIỆT  Dẫn nhiệt  Trao đổi nhiệt đối lưu  Trao đổi nhiệt bức xạ  Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA TÀI LIỆU HỌC TẬP VÀ CÁCH TÍNH ĐIỂM Tài liệu học tập  Kỹ thuật nhiệt: PGS.TS. Bùi Hải; PGS.TS. Trần Thế Sơn  Bài tập kỹ thuật nhiệt: PGS.TS. Bùi Hải.. Tài liệu tham khảo  Nhiệt kỹ thuật: PGS.TS. Nguyễn Bốn; PGS.TS. Hoàng Ngọc Đồng  Bài tập kỹ thuật nhiệt: PGS.TS. Nguyễn Bốn; PGS.TS. Hoàng Ngọc Đồng  Và các sách kỹ thuật nhiệt khác Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA TÀI LIỆU HỌC TẬP VÀ CÁCH TÍNH ĐIỂM Cách tính điểm  Điểm chuyên cần: điểm danh 3 lần bất kỳ + 1 bài kiểm tra 15 phút  Điểm kiểm tra giữa kỳ: sẽ được thông báo trước lịch kiểm tra 1 tuần  Điểm thi: Đề thi bao gồm 2 phần: Phần lý thuyết và phần bài tập  Làm bài trong vòng 60 phút Không được sử dụng tài liệu Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHẦN THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT (CƠ NĂNG - NHIỆT NĂNG) Máy nhiệt thuận chiều (nhóm động cơ nhiệt): biến đổi nhiệt năng → cơ năng - Thuận chiều: vì biểu diễn trên đồ thị, quá trình theo chiều kim đồng hồ - Thuận chiều: vì được phát minh ra trước Máy nhiệt ngƣợc chiều (nhóm máy lạnh, bơm nhiệt): biến đổi cơ năng → nhiệt năng Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU ĐỘNG CƠ NHIỆT (NHIỆT NĂNG → CƠ NĂNG ) Forward Heat Engine LTER= Low Temperature Energy Reservoir HTER= High Temperature Energy Reservoir Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU THIẾT BỊ HƠI NƢỚC ĐẦU TIÊN Do người Hy lạp phát minh vào thể kỷ thứ 1 sau công nguyên. 700 năm trước đó, cũng người Hy lạp đã phát minh ra xe chạy trên đường Ray nhưng mãi thế kỷ 18 loài người mới biết kết hợp 2 thiết bị đó với nhau. Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU ĐỘNG CƠ NHIỆT KIỂU PÍT-TÔNG TỊNH TIẾN (3 CẤP) Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU ĐỘNG CƠ NHIỆT KIỂU TUA-BIN Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁC LOẠI MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU KHÁC  Động cơ đốt trong  Tua-bin khí  Động cơ phản lực  Động cơ phản lực tên lửa  Pin nhiệt điện và nhiệt điện tử (biến đổi trực tiếp nhiệt năng thành điện năng) Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT NGƢỢC CHIỀU MÁY LẠNH, BƠM NHIỆT (CƠ NĂNG → NHIỆT NĂNG ) Reverse Heat Engine LTER= Low Temperature Energy Reservoir HTER= High Temperature Energy Reservoir Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT NGƢỢC CHIỀU TỦ LẠNH GIA ĐÌNH Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT NGƢỢC CHIỀU CHU TRÌNH DÙNG HƠI, CÓ MÁY NÉN Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁC LOẠI MÁY NHIỆT NGƢỢC CHIỀU KHÁC  Chu trình hơi - hấp thụ (không dùng máy nén để tăng áp, sử dụng chất hấp thụ trung gian để “thu hồi” hơi ở áp suất thấp, sau đó tăng áp dung dịch đặc bằng bơm rồi dùng nhiệt năng để tách hơi áp suất cao khỏi dung dịch đặc)  Chu trình máy lạnh nhiệt điện (biến đổi trực tiếp điện năng thành nhiệt năng - ngược lại với pin nhiệt điện) Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA ỨNG DỤNG MÁY NHIỆT NGƢỢC CHIỀU  Điều hoà không khí (làm lạnh, sƣởi ấm), hút ẩm trong các lĩnh vực: dân dụng, công nghiệp  Tủ sấy quần áo, máy sấy nông sản, thực phẩm  Kho lạnh, tủ lạnh bảo quản thực phẩm  Kho lƣu trữ tài liệu (sách báo, phim ảnh) Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA TỔNG QUÁT PHẦN 1 Môi chất và hệ nhiệt động: phương pháp thu nhỏ phạm vi khảo sát Các thông số trạng thái của môi chất: cách xác định một trạng thái của môi chất và biểu diễn thành một điểm trên đồ thị Các quá trình nhiệt động: cách tính toán nhiệt, công của một quá trình và biểu diễn thành một đường trên đồ thị Các chu trình nhiệt động: cách tính toán nhiệt, công của một chu trình máy nhiệt và biểu diễn thành một đường khép kín trên đồ thị Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÔI CHẤT Chất trung gian thực hiện quá trình biến đổi giữa công và nhiệt. Môi chất thường ở thể khí vì khả năng trao đổi công của chất khí lớn (do 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. Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA HỆ NHIỆT ĐỘNG Là phần tách ra để nghiên cứu. Phần còn lại gọi là môi trường. Gồm có 4 loại: hệ kín, hệ hở, hệ đoạn nhiệt và hệ cô lập. Khái niệm hệ nhiệt động mang tính tương đối, phụ thuộc vào quan điểm của người khảo sát. Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI Đại lượng vật lý có giá trị xác định ở một trạng thái nhất định (không phụ thuộc vào quá trình). Thông số trạng thái cơ bản (nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng): đo được trực tiếp Hàm trạng thái: phải tính qua các thông số trạng thái cơ bản Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA THỂ TÍCH RIÊNG Là thể tích của một đơn vị khối lượng 3 3 mkg; 1 kgm; vV G G V v    Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA ÁP SUẤT (CHẤT LỎNG HOẶC CHẤT KHÍ)  Là lực tác dụng của các phân tử theo phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành bình  Đơn vị đo áp suất: N/m2 hay Pa. Tính toán với khí lý tưởng: đổi đơn vị về Pa; Với khí thực: đổi về bar hoặc MPa hoặc at tuỳ theo đơn vị dùng trong bảng và đồ thị 2mN; S F p  Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHÂN LOẠI ÁP SUẤT  Áp suất tuyệt đối p (là thông số trạng thái)  Áp suất tuyệt đối của khí quyển po  Áp suất dư pd p = po + pd  Độ chân không pck p = po - pck Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA 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] T = 273,15 + t  Dụng cụ đo nhiệt độ: nhiệt kế.  Các loại nhiệt kế: nhiệt kế chất lỏng (thuỷ ngân, rượu); nhiệt kế điện trở; cặp nhiệt; nhiệt kế bán dẫn Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA 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 = 0.  Nội năng gồm: nội động năng (phụ thuộc nhiệt độ) và nội thế năng (phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử hay thể tích riêng). u = u(T,v) hoặc u = u(T) với khí LT. Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA NỘI NĂNG du = CvdT Du = u2 – u1 = Cv(T2 – T1) Chỉ quan tâm đến biến thiên nội năng nên có thể chọn điểm gốc tính nội năng tuỳ ý (với nước là điểm 3 thể: t = 0.01 oC; p = 0.0062 at) Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA NĂNG LƢỢNG ĐẨY  Ký hiệu: D [J] hay d [J/kg].  Biểu thức D = pV và d = pv  Dạng vi phân d(D) = d(pV) và d(d) = d(pv) Chú ý: D và d chỉ có trong hệ hở. Đối với hệ kín, chúng không mang ý nghĩa năng lượng đẩy. Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA ENTANPI  Ký hiệu: I [J] hay i [J/kg].  Định nghĩa: I = U + pV và i = u + pv  Với hệ hở: I = U + D và i = u + d  Với khí lý tưởng i = f(T) di = CpdT; Di = i2 – i1= Cp(T2 – T1)  Chỉ quan tâm đến biến thiên nội năng. Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA ENTRÔPI  Ký hiệu: S[J/K] hay s [J/kgK].  Định nghĩa: T dq ds  Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA EXECGI  Ký hiệu: E[J] hay e [J/kg].  Là phần của năng lượng có thể biến đổi hoàn toàn thành công trong quá trình thuận nghịch.  Với nhiệt năng: q = e + a Trong đó: a là anecgi (phần không thể biến đổi thành công trong quá trình thuận nghịch) Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG  Là quá trình biến đổi một chuỗi liên tiếp các trạng thái của hệ.  Điều kiện để có quá trình: có trao đổi nhiệt hoặc công với môi trường và có ít nhất một thông số trạng thái thay đổi. Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁC LOẠI QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG  Quá trình cân bằng: môi chất biến đổi qua các trạng thái cân bằng (thực tế không tồn tại qtcb). Quá trình cân bằng được biểu diễn bằng 1 đường cong trên các đồ thị trạng thái.  Quá trình thuận nghịch: là quá trình cân bằng và luôn có thể biến đổi ngược lại qua các trạng thái cân bằng theo chiều thuận để trở về trạng thái ban đầu mà hệ và môi trường không có sự thay đổi gì. Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA KHÁI NIỆM NHIỆT (NHIỆT NĂNG)  Là dạng năng lượng trao đổi do chênh lệch nhiệt độ, ký hiệu Q [J, cal] 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.  Nhiệt do hệ nhận mang dấu + và ngược lại Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁCH TÍNH NHIỆT  Tính theo nhiệt dung riêng: Q = GCDt [J/kgK] Q = VtcC’Dt C’ [J/m 3 tcK] Q = MCmDt Cm [J/kmolK]  Tính theo entrôpi (C = ∞):  12 2 1 ssTqconstT Tdsq s s    Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA NHIỆT DUNG RIÊNG  Là nhiệt lượng cần để tăng nhiệt độ của một đơn vị đo lường vật chất môi chất lên 1 độ.  Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào bản chất của môi chất, nhiệt độ và áp suất (có thể bỏ qua ảnh hưởng của áp suất khi giá trị của nó không quá lớn). Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHÂN LOẠI NHIỆT DUNG RIÊNG  Theo đơn vị đo lường vật chất. Ta có quan hệ: C = C’vtc = Cm/m  Theo quá trình nhận nhiệt của môi chất (với chất khí là khí hoặc hơi): Nhiệt dung riêng đẳng áp: Cp, C’p, Cmp Nhiệt dung riêng đẳng tích: Cv, C’v, Cmv  Quan hệ: Cp – Cv = R (hằng số chất khí)(cho KLT)  Định nghĩa: Cp/Cv = k (số mũ đoạn nhiệt)(với khí thực k phụ thuộc cả vào nhiệt độ) Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA NHIỆT DUNG RIÊNG PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ (ÁP DỤNG VỚI KHÍ THỰC)  Nhiệt dung riêng thực: là nhiệt dung riêng tại một nhiệt độ nào đó  Nhiệt dung riêng trung bình:  2 1 t t Cdtq dt dq C D  D    2 1 2 1 1 12 t t t t Cdt tt q tt q C Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG TRUNG BÌNH (ÁP DỤNG VỚI KHÍ THỰC)  Nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng 0 ÷ t [oC]: bảng 2 trang 191  Nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng t1 ÷ t2 [ oC]:  1020 0 0 122 1 2 12 1 2 1 1 11 tCtC t C CdtCdt t Cdt t C ttt t t tt t t t  D           D  D    Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA BẢNG TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG TRUNG BÌNH (ÁP DỤNG VỚI KHÍ THỰC) Chất khí NDR khối lượng C kJ/kgK NDR thể tích C’ kJ/m3tc K O2 Cptb=0,903+0,0001065t Cvtb=0,6603+0,0001065t C’ptb=1,3138+0,0001077t C’vtb=0,9429+0,0001577t N2 Cptb=1,024+0,00008855t Cvtb=0,7272+0,00008855t C’ptb=1,2799+0,0001107t C’vtb=0,908929+0,0001107t Không khí Cptb=0,9956+0,00009299t Cvtb=0,7088+0,00009299t C’ptb=1,3138+0,0001077t C’vtb=0,9429+0,0001577t H20 Cptb=1,833+0,00031111t Cvtb=1,3716+0,00031111t C’ptb=1,4733+0,0002498t C’vtb=1,1024+0,0002498t CO2 Cptb=0,8645+0,0002443t Cvtb=0,6764+0,00002443t C’ptb=1,6990+0,0004798t C’vtb=1,3281+0,0004798t Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA TÍNH NHIỆT DUNG RIÊNG KHÔNG PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ (ÁP DỤNG VỚI KHÍ LÝ TƢỞNG)  Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào số nguyên tử của nó (bảng 1-1 trang 14 hoặc tính theo công thức Cv = R/(k- 1); Cp=k R/(k-1)) Lo¹i khÝ TrÞ sè k Cmv kJ/kmolK Cmp kJ/kmolK Mét nguyªn tö 1,6 12,6 20,9 Hai nguyªn tö O2, N2 1,4 20,9 29,3 Ba nguyªn tö H2O,CO2 1,3 29,3 37,7 NhiÒu nguyªn tö 1,3 29,3 37,7 Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA KHÁI NIỆM CÔNG  Là dạng năng lượng thực hiện bởi hệ nhiệt động nếu tác động duy nhất của nó lên môi trường (phần còn lại, ngoài hệ) có thể nâng một vật có khối lượng.  Đơn vị đo công: 1J = 1Nm  Đơn vị đo công suất: 1W = 1J/s  Với 1 kg môi chất: J/kg, W/kg  Công là hàm quá trình  Công do hệ sinh ra mang dấu + và ngược lại Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁC LOẠI CÔNG  Công thay đổi thể tích, ký hiệu L [J], l [J/kg]  Công kỹ thuật, ký hiệu Lkt [J], lkt [J/kg], là công do dòng khí chuyển động (hệ hở) thực hiện khi áp suất thay đổi.  2 1 12 v v pdvlpdvdl  2 1 12 p p ktkt vdplvdpdl Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁC LOẠI CÔNG (TIẾP) Công ngoài, ký hiệu Ln [J], ln [J/kg], là công mà hệ trao đổi với môi trường. Lưu ý: hệ sinh công khi thể tích tăng, ngoại động năng giảm, ngoại thế năng giảm (bỏ qua) và năng lượng đẩy giảm.                  2 2 2 2 2 1 2 2 1212 2 2 2 1 2112 12 12    dpvddldl ddll ddll n n n Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA NĂNG LƢỢNG TOÀN PHẦN CỦA HỆ  Tổng quát  Bỏ qua thế năng  Với hệ kín  Với hệ hở GghGGpvUWWDUW td  2 2 2 ; 2  duwWDUW d 1212 ;;; uuwUUWuwUW kkkk DD 2 ;; 2 ; 22  D DDDDD iwWIWiwWIW hdhhdh Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHƢƠNG TRÌNH ĐL NHIỆT ĐỘNG I  Dạng tổng quát  Với hệ kín (và cả hệ hở)  Với hệ hở 1212 ; nn lwqLWQ DD   vdpdivdppvddupdvdudq luq  D 12 kt ktkt dldidq liliq  D      D  D D 1212 22 22  Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHƢƠNG TRÌNH ĐL NHIỆT ĐỘNG I (DẠNG VI PHÂN TỔNG QUÁT)  Dạng vi phân tổng quát (cả hệ kín lẫn hệ hở)  Với khí lý tưởng (cả hệ kín lẫn hệ hở) vdpdidq pdvdudq   vdpdTCdq pdvdTCdq p v   Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHƢƠNG TRÌNH ĐL NHIỆT ĐỘNG I (VIẾT CHO DÒNG KHÍ)  Dòng khí là hệ hở, không thực hiên ngoại công        D DD 2 2 2 2   ddidq iwq Lê Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHƢƠNG TRÌNH ĐL NHIỆT ĐỘNG I (VIẾT CHO QUÁ TRÌNH HỖN HỢP)  Quá trình hỗn hợp hệ không thực hiện công ngoài, không có sự trao đổi nhiệt (hệ cô lập)  Hỗn hợp trong hệ kín (thể tích xác định)  Hỗn hợp trong hệ hở (dòng khí, bỏ qua động năng) 21;0 WWW D 21;0U UU D 21;0I II D