Nhiệt động kỹ thuật

PGS Hà Mạnh Th− Bộ môn Kỹ thuật nhiệt C7-201, 869.2333 Viện khoa học và công nghệ NHiệt lạnh 2006 Nhiệt động kỹ thuật Các đánh giá: 1. 2 bài kiểm tra giữa kỳ 20% 2. 2 bài tập dài 20% 3. Thi vấn đáp cuối năm không đ−ợc dùng tài liệu, đ−ợc dùng các loại bảng biểu để tra các thông số của khí thực và khí lý t−ởng. 60% 4. Nghỉ quá 20% sẽ không đ−ợc thi lần đầu Tài liệu tham khảo 1. Phạm Lê Dần, Bùi Hải, Nhiệt động kỹ thuật, NXB KHKT, Hà Nội, 2005 2.Bùi Hải, Trần Thế Sơn, Bài tập nhiệt động truyền nhiệt và kỹ thuật lạnh, NXB KHKT, Hà Nội, 2005, 3. J.B Jones, Engineering thermodynamics,1996 Các loại bảng biểu cần có • Bảng hơi n−ớc và đồ thị • Bảng và đồ thị môi chất lạnh Nhiệt và công Dấu của nhiệt và công a). Đơn vị đo nhiệt q và công l [ J] hoặc [J / kg ] Q [kJ] hoặc q [kJ/kg ] (1 Btu ( British thermal unit ) = 252 Cal = 1050,04 J ) 1 W = 1 J/s, 1 kW = 1000 W, 1 kW = 1,341 hp • 1 BTU/hr = 0,293 W, 1 hp = 2545 BTU/hr • 1 hp = 0,7457 kW 1 kW = 3412 BTU/hr b). Dấu của nhiệt lượng: q>0 cấp nhiệt; q0 dãn nở; l<0 nén Nhiệt Nhiệt Công Hệ nhiệt động • Định nghĩa: Tâp hợp các đối t−ợng cần nghiên cứu • Môi tr−ờng ; cái ngoài hệ NĐ • Ta nghiên cứu q l • Phân loại : Hệ đoạn nhiệt : q=0; l ≠ 0 Hệ cô lập; q=0; l=0 • Làm sao xác định đ−ợc hệ nhiệt động? Phải biết thông số trạng thái của nó !!!! Hệ nhiệt động Hệ kín: một l−ợng nhất định chất môi chất đ−ợc nghiên cứu - khối l−ợng - Chỉ có nhiệt và công đi qua ranh giới của hệ Hệ hở - một khu vực nào đó trong không gian  Chiếm 1 thể tích nhất định  Nhiệt và công đi qua ranh giới của hệ  Chất môi giới cũng có thể v−ợt qua ranh giới đơn vị đo Specification of units Các đại l−ợng SI Unit EES Unit Chiều dài Length meter (m) foot (ft) Khối l−ợng Mass kilogram (kg) pound mass (lbm) Lực Force Newton(N) pound force (lbf) Thời gian Time second (s) second (s) English Engineering Units EES Unit Trạng thái Trạng thái Thông số trạng thái tới hạn 50,8-118,80,15-219O2 112,8132,36,06-77,6NH3 78157,2167-75,4SO2 73,831518-56,5CO2 221,29374,150,6113+0,01H20 15101490Hg P k barT k CP kPaT C hạnđiểm tớithểđiểm 3Môi chất Các thông số trạng thái cơ bản a) P áp suất [N/m2] • P tuyệt đối • Pk áp suất khí quyển pk= f(h) • Pd áp suất d−: l−ợng áp suất lớn hơn áp suất khí quyển P=Pd+Pk Độ chân không Pck l−ợng áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển: P= Pk-Pck Thông số trạng thái b) Nhiệt độ : t 0C ( Celcius) thang nhiệt độ Bách phân T K thang nhiệt độ tuyệt đối t [0C] = T [K] -273 = 5/9 ( t [0F] -32 ) = 5/9 ( T[0R] ) - 273 Các loại cặp nhiệt Thông số trạng thái Khối l−ợng riêng Khối l−ợng của một đơn vị thể tích kg/m3 V G=ρ V = V / G Khí lý t−ởng • pv= RT p áp suất tuyệt đối Pa ( N/m2) v thể tích riêng m3/kg T nhiệt độ tuyệt đối K Rà Hằng số chất khí phổ biến [J/kmol độ] R Hằng số chất khí [J/kg độ] R= Rà/ à = 8314/ à à kmol chất khí [kg/kmol] pV= GRT G khối l−ợng kg, V m3 G=pV/RT kg Gay-Lussac’s Law 1 2 1 2 T T P P = 1 2 1 2 T T V V = Boyle’s Law Charles’ Law 2 12 1 V V P P = PV = GRT Perfect Gas Law Các thông số nhiệt • Nội năng u [kJ/kg] ; U[kJ] U=G i • Entanpy i [kJ/kg] ; I [kJ] i =u+pv I=G i • Entropy s [kJ/kg.K] ; S [kJ/K] • Nhiệt l−ợng q; Q • Nôi năng tự do z=u-Ts • Hàm Gibbs:= entanpy tự do G=I-Ts Nhiệt dung riêng # Định nghĩa: C= f( T,p, tinh chất của cac chất ) C= dq/dT NDR thực Ctb= q/ (t2-t1) NDR trung binh trong khoảng t1-t2 # Phân loại: 1. NDR khối l−ợng C KJ/kg K 2. NDR thể tích C’ kJ/m3 tcK 3. NDR kmol Cà KJ/kmol K Phân loại theo quá trình: • Đẳng tích v = const • Đẳng áp p = const Nhiệt dung riêng Sẽ có tất cả 6 loại NDR: 1. Cv KJ/kg K NDR khối l−ợng đẳng tích 2. Cv’ kJ/m3 tcK NDR thể tích đẳng tích 3. Càv KJ/kmol K NDR kmol đẳng tích 4. Cp KJ/kg K NDR khối l−ợng đẳng áp 5. Cp’ kJ/m3 tcK NDR thể tích đẳng áp 6. Càp KJ/kmol K NDR kmol đẳng áp Quan hệ giữa các loại NDR C=C’ vtc C=Cà/à C= C’/ 22,4 Bảng NDR là hằng số 37,729,31,3Nhiều nguyên tử 37,729,31,3Ba nguyên tử H2O,CO2 29,320,91,4Hai nguyên tử O2, N2 20,912,61,6Một nguyên tử Càp KJ/kmolK Càv KJ/kmolK Trị số kLoại khí Nhiệt dung riờng phụ thuộc vào nhiệt độ ( 0-15000C) C’ptb=1,6990+0,0004798t C’vtb=1,3281+0,0004798t Cptb=0,8645+0,0002443t Cvtb=0,6764+0,00002443t CO2 C’ptb=1,4733+0,0002498t C’vtb=1,1024+0,0002498t Cptb=1,833+0,00031111t Cvtb=1,3716+0,00031111t H20 C’ptb=1,3138+0,0001077t C’vtb=0,9429+0,0001577t Cptb=0,9956+0,00009299t Cvtb=0,7088+0,00009299t Khụng khớ C’ptb=1,2799+0,0001107t C’vtb=0,908929+0,0001107t Cptb=1,024+0,00008855t Cvtb=0,7272+0,00008855t N2 C’ptb=1,3138+0,0001077t C’vtb=0,9429+0,0001577t Cptb=0,903+0,0001065t Cvtb=0,6603+0,0001065t O2 NDR thể tớch C’ kJ/m3tc K NDR khối lượng C kJ/kgK Chất khớ Tính Q theo NDR !!! Q=G C ∆T Quá trình nào NDR đó Qv=G Cv ∆T Qp=G Cp ∆T Qn=G Cn ∆T Riêng với qt T=const Q= G T ∆s • Khí thực • N−ớc • MôI chất lạnh Quỏ trỡnh húa hơi đẳng ỏp của hơi nước Quỏ trỡnh húa hơi đẳng ỏp của hơi nước Quỏ trỡnh húa hơi đẳng ỏp của hơi nước Cách tính thông số của hơi ẩm Cho p hay t, độ khô x Cần tính các thông số của hơi ẩm? v”x v’(1-x) '" ' '" ' '" ' ss ss ii ii vv vv GG Gx nsh h − −=− −=− −=+= v =(1-x)v’+xv”=v’+x(v”-v’) u =u’+x(u”- u’) i = i’+x(i”-i’)= i’+x r Dùng cho môi chấ t lạnh Đồ thị p-v và T-s Đồ thị p-v và T-s Sự thay đổi ts theo áp suất Đồ thi T-v Đồ thi p-T Các bảng hơI n−ớc 1.Bảng n−ớc sôi và hơi bão hoà tra theo p(B4) hay t (B3) 2. Bảng n−ớc ch−a sôi và hơi quá nhiệt tra theo P,t (B5) Các loại bảng hơi n−ớc Bảng n−ớc sôi và hơI bão hoà tra theo p hay t 6,58582,139520152778763,15,1570,19390,001127510,027180 7,12981,527722022705503,71,1210,89170,00106031,9854120 7,90840,831123582609251,10,13027,6780,001017 1 0,1991760 8,45230,436624302556125,710,0303732,930,001004 4 0,0242130 9,154402501250100,004847206,30,0010020,0061080,01 S” KJ/kg K S’ KJ/kg K r KJ/kg I” KJ/kg I’ KJ/kg ρ” Kg/m 3 v” M3/kg v’ M3/kg P bart0C Bảng n−ớc ch−a sôi và hơI quá nhiệt tra theo P,t 0,0011018 675,4 1,941 0,001077 94 589,2 1,737 0,0010598 503,9 1,5261 0,001043 419,3 1,3058 0,001285 335,4 1.074 0,0010166 251,8 0,8298 0,0010075 168,3 0,5712 0,0010014 84,7 0,296 v I s 10 v I s 1,984 2796 7,654 1,889 2557 7,562 1,795 2717 7,4665 1,695 2676 7,361 0,0010289 334,9 1,0748 0,0010171 251,1 0,8307 0,0010079 167,5 0,5715 0,0010018 83,7 0,2964 v I s 1 v I s 19,98 2802 8,727 19,03 2764 8,636 18,13 2726 8,542 17,20 2688 8,442 16,27 2649 8,337 15,35 2611 8,227 0,0010079 167,5 0,5715 0,0010018 83,7 0,2964 v I s 0,1 16014012010080604020T oC P bar Ví dụ • Một xylanh ở trạng thái ban đầu chứa n−ớc ở áp suất 3 MPa và nhiệt độ 300oC. N−ớc đ−ợc làm lạnh đẳng tích đến 200 oC, sau đó đ−ợc nén đẳng nhiệt đến áp suất cuối 2,5 MPa. Hãy biểu diễn quá trình trên đồ thị T-v và tính các giá trị thể tích riêng ở các trạng thái trên. Sơ l−ợc đồ thị Mollier i-s Ví dụ tinh toán H kj/kg S kJ/kgK Các thông số: • áp suất • nhiệt độ • thể tích và thể tích riêng • v’ thể tích riêng của n−ớc sôi (lỏng bão hoà) • v” thể tích riêng của hơi bão hoà • x độ khô '" ' '" ' '" ' ss ss ii ii vv vv GG Gx nsh h − −=− −=− −=+= v =(1-x)v’+xv”=v’+x(v”-v’) u =u’+x(u”-u’) i = i’+x(i”-i’)= i’+x r Đồ thị logP-h cho R12 Đồ thị logP-h cho R134a Đồ thị logP-h cho R22 Đồ thị logP-h cho R22 Đồ thị logP-h cho R717 Giải bài toán • State 1: • From the saturated water (liquid-vapor) table B 4: • 3MPa (30 bar) Tsat= 233,9oC • since T1 > 233,9oC  superheated vapor • From the superheated water vapor table B-5: • 3MPa and 300oC v1= 0,0811 m3/kg • State 2: • Cool at constant volume, so v2= v1= 0.0811 m3/kg • From the saturated water (liquid-vapor) table B-3: • 200oC v’= 0,001157m3/kg, v”=0,1274 m3/kg • because v’< v2< v” we have a liquid vapor mixture • recall, v = (1-x) v’+ x v” = v’+ x (v” – v’) • v2= v1= 0,0811 =0,0001157 + x (0,1279-0,0001157) • x= 0,633 i.e., 63.3% vapor by mass • State 3: • Compress isothermally to 2.5 MPa, so T3= T2= 200oC • From the compressed liquid water table B-5: • 200oC and 2,5 MPa  v3= 1,155x10-3 m3/kg Các thông số cần tính • P,v, T • I ( h) • u=i-pv • L,l kt • Q Cho khí lý t−ởng và khí thực