Bài giảng Kĩ thuật nhiệt - Chương 1: Nhiệt động kĩ thuật - Lê Anh Sơn

ọc tập  Kỹ thuật nhiệt: PGS.TS. Bựi Hải; PGS.TS. Trần Thế Sơn  Bài tập kỹ thuật nhiệt: PGS.TS. Bựi 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 cỏc sỏch kỹ thuật nhiệt khỏc Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA TÀI LIỆU HỌC TẬP VÀ CÁCH TÍNH ĐIỂM Cỏch tớnh điểm  Điểm chuyờn cần: điểm danh 3 lần bất kỳ + 1 bài kiểm tra 15 phỳt  Điểm kiểm tra giữa kỳ: sẽ được thụng bỏo trước lịch kiểm tra 1 tuần  Điểm thi: Đề thi bao gồm 2 phần: Phần lý thuyết và phần bài tập  Làm bài trong vũng 60 phỳt Khụng được sử dụng tài liệu Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHẦN THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT (CƠ NĂNG - NHIỆT NĂNG) Mỏy nhiệt thuận chiều (nhúm động cơ nhiệt): biến đổi nhiệt năng → cơ năng - Thuận chiều: vỡ biểu diễn trờn đồ thị, quỏ trỡnh theo chiều kim đồng hồ - Thuận chiều: vỡ được phỏt minh ra trước Mỏy nhiệt ngƣợc chiều (nhúm mỏy lạnh, bơm nhiệt): biến đổi cơ năng → nhiệt năng Lờ 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 Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU THIẾT BỊ HƠI NƢỚC ĐẦU TIấN Do người Hy lạp phỏt minh vào thể kỷ thứ 1 sau cụng nguyờn. 700 năm trước đú, cũng người Hy lạp đó phỏt minh ra xe chạy trờn đường Ray nhưng mói thế kỷ 18 loài người mới biết kết hợp 2 thiết bị đú với nhau. Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU ĐỘNG CƠ NHIỆT KIỂU PÍT-TễNG TỊNH TIẾN (3 CẤP) Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU ĐỘNG CƠ NHIỆT KIỂU TUA-BIN Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁC LOẠI MÁY NHIỆT THUẬN CHIỀU KHÁC  Động cơ đốt trong  Tua-bin khớ  Động cơ phản lực  Động cơ phản lực tờn lửa  Pin nhiệt điện và nhiệt điện tử (biến đổi trực tiếp nhiệt năng thành điện năng) Lờ 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 Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT NGƢỢC CHIỀU TỦ LẠNH GIA ĐèNH Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA MÁY NHIỆT NGƢỢC CHIỀU CHU TRèNH DÙNG HƠI, Cể MÁY NẫN Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁC LOẠI MÁY NHIỆT NGƢỢC CHIỀU KHÁC  Chu trỡnh hơi - hấp thụ (khụng dựng mỏy nộn để tăng ỏp, sử dụng chất hấp thụ trung gian để “thu hồi” hơi ở ỏp suất thấp, sau đú tăng ỏp dung dịch đặc bằng bơm rồi dựng nhiệt năng để tỏch hơi ỏp suất cao khỏi dung dịch đặc)  Chu trỡnh mỏy lạnh nhiệt điện (biến đổi trực tiếp điện năng thành nhiệt năng - ngược lại với pin nhiệt điện) Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA ỨNG DỤNG MÁY NHIỆT NGƢỢC CHIỀU  Điều hoà khụng khớ (làm lạnh, sƣởi ấm), hỳt ẩm trong cỏc lĩnh vực: dõn dụng, cụng nghiệp  Tủ sấy quần ỏo, mỏy sấy nụng sản, thực phẩm  Kho lạnh, tủ lạnh bảo quản thực phẩm  Kho lƣu trữ tài liệu (sỏch bỏo, phim ảnh) Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA TỔNG QUÁT PHẦN 1 Mụi chất và hệ nhiệt động: phương phỏp thu nhỏ phạm vi khảo sỏt Cỏc thụng số trạng thỏi của mụi chất: cỏch xỏc định một trạng thỏi của mụi chất và biểu diễn thành một điểm trờn đồ thị Cỏc quỏ trỡnh nhiệt động: cỏch tớnh toỏn nhiệt, cụng của một quỏ trỡnh và biểu diễn thành một đường trờn đồ thị Cỏc chu trỡnh nhiệt động: cỏch tớnh toỏn nhiệt, cụng của một chu trỡnh mỏy nhiệt và biểu diễn thành một đường khộp kớn trờn đồ thị Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA MễI CHẤT Chất trung gian thực hiện quỏ trỡnh biến đổi giữa cụng và nhiệt. Mụi chất thường ở thể khớ vỡ khả năng trao đổi cụng của chất khớ lớn (do thay đổi thể tớch lớn). Mụi chất trong tự nhiờn đều là khớ thực. Tớnh toỏn với khớ thực phải dựng bảng hoặc đồ thị. Trong một số trường hợp (vd: khụng khớ, hyđrụ, ụxy ở ỏp suất thấp và nhiệt độ bỡnh thường), mụi chất cú thể xem là khớ lý tưởng khi bỏ qua thể tớch phõn tử, nguyờn tử và lực tương tỏc giữa chỳng. Tớnh toỏn với khớ lý tưởng cú thể dựng phương trỡnh trạng thỏi và cỏc cụng thức. Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA HỆ NHIỆT ĐỘNG Là phần tỏch ra để nghiờn cứu. Phần cũn lại gọi là mụi trường. Gồm cú 4 loại: hệ kớn, hệ hở, hệ đoạn nhiệt và hệ cụ lập. Khỏi niệm hệ nhiệt động mang tớnh tương đối, phụ thuộc vào quan điểm của người khảo sỏt. Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁC THễNG SỐ TRẠNG THÁI Đại lượng vật lý cú giỏ trị xỏc định ở một trạng thỏi nhất định (khụng phụ thuộc vào quỏ trỡnh). Thụng số trạng thỏi cơ bản (nhiệt độ, ỏp suất, thể tớch riờng): đo được trực tiếp Hàm trạng thỏi: phải tớnh qua cỏc thụng số trạng thỏi cơ bản Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA THỂ TÍCH RIấNG Là thể tớch của một đơn vị khối lượng 3 3 mkg; 1 kgm; vV G G V v    Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA ÁP SUẤT (CHẤT LỎNG HOẶC CHẤT KHÍ)  Là lực tỏc dụng của cỏc phõn tử theo phương phỏp tuyến lờn một đơn vị diện tớch thành bỡnh  Đơn vị đo ỏp suất: N/m2 hay Pa. Tớnh toỏn với khớ lý tưởng: đổi đơn vị về Pa; Với khớ thực: đổi về bar hoặc MPa hoặc at tuỳ theo đơn vị dựng trong bảng và đồ thị 2mN; S F p  Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHÂN LOẠI ÁP SUẤT  Áp suất tuyệt đối p (là thụng số trạng thỏi)  Áp suất tuyệt đối của khớ quyển po  Áp suất dư pd p = po + pd  Độ chõn khụng pck p = po - pck Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA NHIỆT ĐỘ  Là mức đo độ núng, lạnh của vật. Theo thuyết động học phõn tử, là số đo động năng của cỏc phõn tử.  Thang nhiệt độ: t[oC], T[K], t[F] T = 273,15 + t  Dụng cụ đo nhiệt độ: nhiệt kế.  Cỏc loại nhiệt kế: nhiệt kế chất lỏng (thuỷ ngõn, rượu); nhiệt kế điện trở; cặp nhiệt; nhiệt kế bỏn dẫn Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA NỘI NĂNG  Là toàn bộ năng lượng bờn trong vật. Ký hiệu: U [J] hay u [J/kg].  Trong nhiệt động, chỉ xột nội nhiệt năng vỡ biến đổi của cỏc dạng nội năng khỏc (hoỏ năng, năng lượng nguyờn tử) luụn = 0.  Nội năng gồm: nội động năng (phụ thuộc nhiệt độ) và nội thế năng (phụ thuộc vào khoảng cỏch giữa cỏc phõn tử hay thể tớch riờng). u = u(T,v) hoặc u = u(T) với khớ LT. Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA NỘI NĂNG du = CvdT Du = u2 – u1 = Cv(T2 – T1) Chỉ quan tõm đến biến thiờn nội năng nờn cú thể chọn điểm gốc tớnh nội năng tuỳ ý (với nước là điểm 3 thể: t = 0.01 oC; p = 0.0062 at) Lờ 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 phõn d(D) = d(pV) và d(d) = d(pv) Chỳ ý: D và d chỉ cú trong hệ hở. Đối với hệ kớn, chỳng khụng mang ý nghĩa năng lượng đẩy. Lờ 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 khớ lý tưởng i = f(T) di = CpdT; Di = i2 – i1= Cp(T2 – T1)  Chỉ quan tõm đến biến thiờn nội năng. Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA ENTRễPI  Ký hiệu: S[J/K] hay s [J/kgK].  Định nghĩa: T dq ds  Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA EXECGI  Ký hiệu: E[J] hay e [J/kg].  Là phần của năng lượng cú thể biến đổi hoàn toàn thành cụng trong quỏ trỡnh thuận nghịch.  Với nhiệt năng: q = e + a Trong đú: a là anecgi (phần khụng thể biến đổi thành cụng trong quỏ trỡnh thuận nghịch) Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA QUÁ TRèNH NHIỆT ĐỘNG  Là quỏ trỡnh biến đổi một chuỗi liờn tiếp cỏc trạng thỏi của hệ.  Điều kiện để cú quỏ trỡnh: cú trao đổi nhiệt hoặc cụng với mụi trường và cú ớt nhất một thụng số trạng thỏi thay đổi. Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁC LOẠI QUÁ TRèNH NHIỆT ĐỘNG  Quỏ trỡnh cõn bằng: mụi chất biến đổi qua cỏc trạng thỏi cõn bằng (thực tế khụng tồn tại qtcb). Quỏ trỡnh cõn bằng được biểu diễn bằng 1 đường cong trờn cỏc đồ thị trạng thỏi.  Quỏ trỡnh thuận nghịch: là quỏ trỡnh cõn bằng và luụn cú thể biến đổi ngược lại qua cỏc trạng thỏi cõn bằng theo chiều thuận để trở về trạng thỏi ban đầu mà hệ và mụi trường khụng cú sự thay đổi gỡ. Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG I Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA KHÁI NIỆM NHIỆT (NHIỆT NĂNG)  Là dạng năng lượng trao đổi do chờnh lệch nhiệt độ, ký hiệu Q [J, cal] hoặc q [J/kg, cal/kg] và là hàm quỏ trỡnh.  Nhiệt chỉ xuất hiện ở ranh giới giữa hệ nhiệt động đang xột và mụi trường khi nú truyền qua.  Hệ nhiệt động khụng chứa nhiệt, chỉ chứa năng lượng.  Nhiệt do hệ nhận mang dấu + và ngược lại Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁCH TÍNH NHIỆT  Tớnh theo nhiệt dung riờng: Q = GCDt [J/kgK] Q = VtcC’Dt C’ [J/m 3 tcK] Q = MCmDt Cm [J/kmolK]  Tớnh theo entrụpi (C = ∞):  12 2 1 ssTqconstT Tdsq s s    Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA NHIỆT DUNG RIấNG  Là nhiệt lượng cần để tăng nhiệt độ của một đơn vị đo lường vật chất mụi chất lờn 1 độ.  Nhiệt dung riờng phụ thuộc vào bản chất của mụi chất, nhiệt độ và ỏp suất (cú thể bỏ qua ảnh hưởng của ỏp suất khi giỏ trị của nú khụng quỏ lớn). Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHÂN LOẠI NHIỆT DUNG RIấNG  Theo đơn vị đo lường vật chất. Ta cú quan hệ: C = C’vtc = Cm/m  Theo quỏ trỡnh nhận nhiệt của mụi chất (với chất khớ là khớ hoặc hơi): Nhiệt dung riờng đẳng ỏp: Cp, C’p, Cmp Nhiệt dung riờng đẳng tớch: Cv, C’v, Cmv  Quan hệ: Cp – Cv = R (hằng số chất khớ)(cho KLT)  Định nghĩa: Cp/Cv = k (số mũ đoạn nhiệt)(với khớ thực k phụ thuộc cả vào nhiệt độ) Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA NHIỆT DUNG RIấNG PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ (ÁP DỤNG VỚI KHÍ THỰC)  Nhiệt dung riờng thực: là nhiệt dung riờng tại một nhiệt độ nào đú  Nhiệt dung riờng trung bỡnh:  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 Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA TÍNH NHIỆT DUNG RIấNG TRUNG BèNH (ÁP DỤNG VỚI KHÍ THỰC)  Nhiệt dung riờng trung bỡnh trong khoảng 0 ữ t [oC]: bảng 2 trang 191  Nhiệt dung riờng trung bỡnh trong khoảng t1 ữ 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    Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA BẢNG TÍNH NHIỆT DUNG RIấNG TRUNG BèNH (ÁP DỤNG VỚI KHÍ THỰC) Chất khớ NDR khối lượng C kJ/kgK NDR thể tớch 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 Khụng khớ 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 Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA TÍNH NHIỆT DUNG RIấNG KHễNG PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ (ÁP DỤNG VỚI KHÍ Lí TƢỞNG)  Nhiệt dung riờng của khớ lý tưởng chỉ phụ thuộc vào số nguyờn tử của nú (bảng 1-1 trang 14 hoặc tớnh theo cụng thức Cv = R/(k- 1); Cp=k R/(k-1)) Loại khí Trị số k Cmv kJ/kmolK Cmp kJ/kmolK Một nguyên tử 1,6 12,6 20,9 Hai nguyên tử O2, N2 1,4 20,9 29,3 Ba nguyên tử H2O,CO2 1,3 29,3 37,7 Nhiều nguyên tử 1,3 29,3 37,7 Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA KHÁI NIỆM CễNG  Là dạng năng lượng thực hiện bởi hệ nhiệt động nếu tỏc động duy nhất của nú lờn mụi trường (phần cũn lại, ngoài hệ) cú thể nõng một vật cú khối lượng.  Đơn vị đo cụng: 1J = 1Nm  Đơn vị đo cụng suất: 1W = 1J/s  Với 1 kg mụi chất: J/kg, W/kg  Cụng là hàm quỏ trỡnh  Cụng do hệ sinh ra mang dấu + và ngược lại Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁC LOẠI CễNG  Cụng thay đổi thể tớch, ký hiệu L [J], l [J/kg]  Cụng kỹ thuật, ký hiệu Lkt [J], lkt [J/kg], là cụng do dũng khớ chuyển động (hệ hở) thực hiện khi ỏp suất thay đổi.  2 1 12 v v pdvlpdvdl  2 1 12 p p ktkt vdplvdpdl Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA CÁC LOẠI CễNG (TIẾP) Cụng ngoài, ký hiệu Ln [J], ln [J/kg], là cụng mà hệ trao đổi với mụi trường. Lưu ý: hệ sinh cụng khi thể tớch 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 Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA NĂNG LƢỢNG TOÀN PHẦN CỦA HỆ  Tổng quỏt  Bỏ qua thế năng  Với hệ kớn  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 Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHƢƠNG TRèNH ĐL NHIỆT ĐỘNG I  Dạng tổng quỏt  Với hệ kớn (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  Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHƢƠNG TRèNH ĐL NHIỆT ĐỘNG I (DẠNG VI PHÂN TỔNG QUÁT)  Dạng vi phõn tổng quỏt (cả hệ kớn lẫn hệ hở)  Với khớ lý tưởng (cả hệ kớn lẫn hệ hở) vdpdidq pdvdudq   vdpdTCdq pdvdTCdq p v   Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHƢƠNG TRèNH ĐL NHIỆT ĐỘNG I (VIẾT CHO DềNG KHÍ)  Dũng khớ là hệ hở, khụng thực hiờn ngoại cụng        D DD 2 2 2 2   ddidq iwq Lờ Anh Sơn. Power engineering department. HUA PHƢƠNG TRèNH ĐL NHIỆT ĐỘNG I (VIẾT CHO QUÁ TRèNH HỖN HỢP)  Quỏ trỡnh hỗn hợp hệ khụng thực hiện cụng ngoài, khụng cú sự trao đổi nhiệt (hệ cụ lập)  Hỗn hợp trong hệ kớn (thể tớch xỏc định)  Hỗn hợp trong hệ hở (dũng khớ, bỏ qua động năng) 21;0 WWW D 21;0U UU D 21;0I II D