(NB) Giáo Trình Nhiệt kỹ thuật với mục tiêu giúp các bạn có thể hệ thống được kiến thức cơ bản về mạch điện; Trình bày được yêu cầu, nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại máy điện dùng trong phạm vi nghề Công nghệ Ô tô; Trình bày được công dụng và phân loại các loại khí cụ điện; Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 1 dưới đây.
ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI LÊ VĂN LƯƠNG (Chủ biên) LƯU HUY HẠNH – NGUYỄN QUANG HUY GIÁO TRÌNH NHIỆT KỸ THUẬT Nghề: Cơng nghệ Ơ tơ Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2018 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm MÃ TÀI LIỆU: MH 14 LỜI GIỚI THIỆU Để phục vụ cho học viên học nghề thợ sửa chữa ô tô kiến thức lý thuyết thực hành bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống ô tơ Hoặc học nghề khí Tơi có biên soạn giáo trình: Nhiệt kỹ thuật với mong muốn giáo trình giúp cho học sinh, sinh viên nắm vững kiến thức ô tô Nhiệt kỹ thuật biên soạn, nội dung giáo trình bao gồm bốn chương: Chương1 Khái niệm thông số Chương Môi chất truyền nhiệt Chương Các q trình nhiệt động mơi chât Chương Chu trình nhiệt động động nhiệt Mặc dù cố gắng chắn không tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp người đọc để lần xuất sau giáo trình hồn thiện Hà Nội, ngày… tháng… năm 2018 MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN MỤC LỤC CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠN HỌC: II MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC: III NỘI DUNG MÔN HỌC: CHƯƠNG KHÁI NIỆM VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN 1.1 Các khái niệm 1.2 Các thông số 10 1.3 Hệ nhiệt động thông số trạng thái 11 1.4 Phương trình nhiệt động 12 1.5 Nhận dạng phân biệt thông số trạng thái 14 CHƯƠNG MÔI CHẤT VÀ SỰ TRUYỀN NHIỆT 16 2.1 Khái niệm khí lý tưởng khí thực 16 2.2 Khái niệm, phân loại truyền nhiệt 17 2.3 Khái niệm, phân loại chuyển pha đơn chất 19 2.4 Nhận dạng phân biệt chuyển pha, truyền nhiệt môi chất 20 CHƯƠNG CÁC Q TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MƠI CHẤT 29 3.1 Cơ sở lý thuyết để khảo sát trình nhiệt động 29 3.2 NỘI DUNG KHẢO SÁT 30 3.3 Các q trình có thơng số bất biến 30 3.4 Các trình nhiệt động khí thực 41 3.5 Q trình hỗn hợp khí (khơng khí ẩm) 48 CHƯƠNG CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT 53 4.1 Khái niệm yêu cầu 53 4.2 Phân loại chu trình nhiệt động 54 4.3 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt 71 CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: NHIỆT KỸ THUẬT Mã số môn học: MH 14 Thời gian thực môn học: 45 (Lý thuyết: 42 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập: giờ; Kiểm tra: giờ) I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠN HỌC: - Vị trí: Mơn học bố trí giảng dạy song song với môn học/ mô đun sau: MH 08, MH 09, MH 10, MH 11, MH 12, MH13, MH 14, MH 15, MH 16, MĐ 18, MĐ 19 - Tính chất: Là môn học kỹ thuật sở II MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC: - Về kiến thức: + Hệ thống kiến thức mạch điện + Trình bày yêu cầu, nhiệm vụ, cấu tạo nguyên lý hoạt động loại máy điện dùng phạm vi nghề Cơng nghệ Ơ tơ + Trình bày cơng dụng phân loại loại khí cụ điện - Về kỹ năng: + Vẽ sơ đồ dấu dây, sơ đồ lắp đặt mạch điện + Tuân thủ quy định an toàn sử dụng thiết bị điện - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn luyện tác phong làm việc cẩn thận III NỘI DUNG MÔN HỌC: Thời gian (giờ) Số TT Tên chương, mục Tổn g số Lý thuyết I Khái niệm thông số 12 12 Các khái niệm thông số 3 Hệ nhiệt động thông số trạng thái Thực hành, thí nghiệm, Kiểm thảo luận, tra* Bài tập Phương trình nhiệt động 3 Nhận dạng phân biệt thông số trạng thái II Môi chất truyền nhiệt 13 Khái niệm, phân loại khí lý tưởng khí thực Khái niệm, phân loại truyền nhiệt 3 Khái niệm chuyển pha đơn chất 4 Nhận dạng phân biệt chuyển pha, truyền nhiệt môi chất III Các q trình nhiệt động mơi chất Các trình nhiệt động bản: Quá trình đa biến, đoạn nhiệt, đẳng nhiệt, đẳng áp đẳng tích Các q trình nhiệt động khí thực 3 Q trình hỗn hợp khí 3 IV Chu trình nhiệt động động nhiệt 1 Khái niệm, yêu cầu phân loại chu trình nhiệt động Sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt Tổng cộng 42 14 45 1 Chương Khái niệm thông số Mục tiêu: - Phát biể u đúng các khái niê ̣m và các thông số bản của các triǹ h nhiêṭ ̣ng - Giải thích ý nghĩa khái niệm thông số - Tuân thủ quy định, quy phạm lĩnh vực nhiệt kỹ thuật Nội dung chính: 1.1 Các khái niệm Trong phạm vi chương trình môn học Kỹ thuật nhiệt, nghiên cứu khái niệm sau 1.1.1 Nguồn nhiệt: vật trao đổi nhiệt với môi chất; nguồn nhiệt có nhiệt độ cao gọi nguồn nóng, nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp gọi nguồn lạnh 1.1.2 Môi chất: chất mà thiết bị dùng để truyền tải chuyển hóa nhiệt với dạng lượng khác Mơi chất vật chất pha nào, thường dùng pha (khí) có khả co dãn lớn Mơi chất đơn chất hỗn hợp 1.1.3 Trạng thái: tập hợp thơng số xác định tính chất vật lý mơi chất hay hệ thời điểm Các đại lượng vật lý gọi thơng số trạng thái 1.1.4 Thông số trạng thái: đại lượng vật lý có giá trị trạng thái Thông số trạng thái hàm đơn trị trạng thái Nghĩa độ biến thiên thơng số trạng thái q trình phụ thuộc vào điểm đầu điểm cuối trình mà khơng phụ thuộc vào q trình (đường đi) đạt đến trạng thái 1.1.5 Máy nhiệt: hệ thống thiết bị thực chuyển hố nhiệt cơng nói chung 1.1.6 Động nhiệt: loại máy nhiệt tiêu thụ nhiệt lượng để Sản sinh cho tương ứng VD: ô tô, xe máy, nhà máy nhiệt điện v.v 1.1.7 Máy lạnh: loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng lấy để làm lạnh vật VD: tủ lạnh, điều hoà nhiệt độ v.v loại máy lạnh 1.1.8 Bơm nhiệt: loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng toả nguồn nóng để đốt nóng sấy, sưởi vật VD: tủ lạnh “hai chiều”: mùa hè làm việc theo chế độ máy lạnh, mùa đông làm việc theo chế độ bơm nhiệt 1.1.9 Quá trình nhiệt động: trình biến đổi chuỗi liên tiếp trạng thái hệ có trao đổi nhiệt cơng với mơi trường 1.1.10 Nước sơi (nước bão hồ): nước bắt đầu q trình hóa kết thúc ngưng tụ; phần nước tồn với 1.1.11 Hơi bão hịa khơ: trạng thái bắt đầu ngưng tụ vừa hóa xong, mà phần hai pha nước (hoặc rắn) tồn 1.1.12 Hơi bão hòa ẩm: hỗn hợp bão hòa khơ nước bão hịa (nước sơi) 1.1.13 Nước chưa sơi: nước có nhiệt độ nhỏ nhiệt độ bão hịa áp suất nước có áp suất lớn áp suất bão hòa nhiệt độ 1.1.14 Hơi nhiệt: có nhiệt độ lớn nhiệt độ bão hòa áp suất có áp suất nhỏ áp suất bão hịa nhiệt độ 1.1.15 Cơng: đại lượng đặc trưng cho trao đổi lượng mơi chất với mơi trường có chuyển động vĩ mơ Khi thực q trình, có thay đổi áp suất, thay đổi thể tích dich chuyển trọng tâm khối mơi chất phần lượng nhiệt chuyển hoá thành Lượng chuyển biến cơng q trình Ký hiệu là: l tính cho kg, đơn vị đo J/kg L tính cho G kg, đơn vị đo J Qui ước: Nếu l > ta nói vật sinh cơng Nếu l < ta nói vật nhận cơng Cơng khơng thể chứa vật nào, mà xuất có q trình thay đổi trạng thái kèm theo chuyển động vật Về mặt học, cơng có trị số tích lực tác dụng với độ dời theo hướng lực Trong nhiệt kỹ thuật thường gặp loại công sau: công thay đổi thể tích; cơng lưu động (cơng thay đổi vị trí); cơng kỹ thuật (cơng thay đổi áp suất) cơng ngồi Trong nhiệt động kỹ thuật tồn loại công sau: cơng thay đổi thể tích l (J/kg), cơng lưu động (thay đổi vị trí) cơng kỹ thuật lkt (J/kg) cơng ngồi ln (J/kg) a Cơng thay đổi thể tích l (J/kg): cơng thể tích hệ thay đổi mà có Cơng có hệ kín hệ hở Khi mơi chất giãn nở, v2 > v1 hệ sinh công, theo quy ước, công dương Ngược lại, môi chất bị nén, v2 < v1 hệ nhận từ mơi trường công, theo quy ước, công công âm Công thay đổi thể tích hàm q trình Với 1kg mơi chất, tiến hành q trình áp suất p, thể tích thay đổi lượng dv, mơi chất thực cơng thay đổi thể tích là: dl = p.dv (1-1) Khi tiến hành q trình, thể tích thay đổi từ v đến v2 cơng thay đổi thể tích tính là: l= (1-2) Từ công thức (1-10) ta thấy dl dv dấu Khi dv > dl > 0, nghĩa xẩy trình mà thể tích tăng cơng có giá trị dương, ta nói môi chất sinh công (công môi chất thực hiện) Khi dv < dl < 0, nghĩa xẩy q trình mà thể tích giảm cơng có giá trị âm, ta nói mơi chất nhận công (công môi trương thực hiện) Công thay đổi thể tích khơng phải thơng số trạng thái, biểu diễn đồ thị p-v b Công kỹ thuật lkt (J/kg): cơng dịng mơi chất chuyển động thực áp suất thay đổi Do đó, cơng kỹ thuật có hệ hở Mơi chất sinh công thông qua thiết bị tua- bin hay máy nén nên gọi công kỹ thuật Từ định nghĩa thấy, dịng mơi chất có áp suất giảm, cơng kỹ thuật lấy giá trị dương ngược lại, áp suất tăng công kỹ thuật âm Công kỹ thuật hàm trình dlkt = -vdp (1-3) Nếu trình tiến hành từ áp suất p1 đến áp suất p2 cơng kỹ thuật tính là: lkt = - (1-4) Từ công thức (1-4) ta thấy dlkt dp ngược dấu nên dp < dlkt > 0, nghĩa áp suất p giảm cơng kỹ thuật dương, ta nói mơi chất sinh cơng ngược lại c Cơng ngồi ln (J/kg) cịn gọi ngoại công: công trao đổi hệ mơi trường q trình nhiệt động Đây cơng hữu ích nhận cơng tiêu tốn cho hệ Để có cơng trao đổi với mơi trường hệ phải thay đổi thể tích, thay đổi lượng đẩy, thay đổi động năng, thay đổi ba dạng lượng đó: dln = dl - dllđ - d( ) - gdh (1-5) Vì hệ kín, trọng tâm khối khí khơng dịch chuyển khơng có lực đẩy, khơng có ngoại động nên cơng ngồi hệ kín cơng thay đổi thể tích Nói cách khác, nhận cơng hệ kín cho môi chất giản nở hay: dln = dl = pdv (1-6) Đối với hệ hở, môi chất cần tiêu hao cơng để thay đổi vị trí gọi cơng lưu động hay lực đẩy (dln = d(pv)), cơng bằng: dln = dl - d(pv) - d( ) - gdh (1-7a) hay viết: dln = dl - pdv - vdp - d( ) - gdh = dlkt - d( ) - gdh (1-7b) Trong thực tế, lượng biến đổi động nhỏ so với cơng kỹ thuật bỏ qua, từ (1-7b) ta có: dln = dlkt (1-8) Từ (1-8) ta thấy cơng kỹ thuật tính gần cơng có ích nhận từ dịng mơi chất (hệ hở) thông qua thiết bị kỹ thuật (tua- bin): Đối với trình thì: dln = dlkt ≠ dl (1-8a) Đối với chu trình, dlld = nên: dln = dlkt = dl (1-8b) hệ hở: dlkt = dln + d( ) + gdh (1-23) 1.4.2 Phương trình nhiệt động II: Định luật nhiệt động I định luật bảo tồn biến hố lượng viết cho q trình nhiệt động, cho phép tính tốn cân lượng trình nhiệt động, xác định lượng nhiệt chuyển hố thành cơng cơng chuyển hố thành nhiệt Tuy nhiên khơng cho ta biết điều kiện nhiệt biến đổi thành cơng liệu tồn nhiệt biến đổi hồn tồn thành cơng khơng Định luật nhiệt động II cho phép ta xác định điều kiện trình xẩy ra, chiều hướng xẩy mức độ chuyển hoá lượng trình Định luật nhiệt động II tiền đề để xây dựng lý thuyết động nhiệt thiết bị nhiệt Theo định luật nhiệt động II trình tự phát tự nhiên xẩy theo hướng định Ví dụ nhiệt truyền từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp Nếu muốn q trình xẩy ngược lại phải tiêu tốn lượng, ví dụ muốn tăng áp suất phải tiêu tốn cơng nén phải cấp nhiệt vào; muốn lấy nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp thải mơi trường xung quanh có nhiệt độ cao (như máy lạnh) phải tiêu tốn lượng định (tiêu tốn điện chạy động cơ, kéo máy nén) Định luật nhiệt động II: có hai cách phát biểu Cách thứ Thomson-Planck phát biểu: có động nhiệt có khả biến tồn nhiệt lượng cấp cho thành cơng mà khơng phần nhiệt lượng truyền cho vật khác Biểu thức: Trong đó: q1 -q2= l (1-24) q1- lượng nhiệt nguồn nóng q2- lượng nhiệt nguồn lạnh l - cơng sinh Cách thứ hai Các - nôt-clausius phát biểu: nhiệt lượng tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp Muốn truyền ngược lại phải tiêu tốn thêm lượng Biểu thức: q1= q2 -l 1.5 Nhận dạng phân biệt thông số trạng thái 1.5.1 Nhận dạng thông số trạng thái 14 (1-25) - Thông số trạng thái có vi phân tồn phần - Thơng số trạng thái hàm đơn trị trạng thái, lượng biến thiên thông số trạng thái phụ thuộc vào điểm đầu điểm cuối trình mà khơng phụ thuộc vào đường q trình Nhiệt lượng cơng trao đổi q trình phụ thuộc vào đường q trình nên khơng phải thông số trạng thái, chúng hàm q trình Trong nhiệt động, thường dùng thơng số trạng thái đo trực tiếp nhiệt độ T, áp suất p thể tích riêng v (hoặc khối lượng riêng ), cịn gọi thơng số trạng thái Ngồi ra, tính tốn người ta cịn dùng thơng số trạng thái khác như: nội U, entanpi E entropi S, thông số không đo trực tiếp mà tính tốn qua thơng số trạng thái 1.5.2 Nhận dạng trạng thái Trạng thái tập hợp thơng số xác định tính chất vật lý môi chất hay hệ thời điểm Các đại lượng vật lý gọi thông số trạng thái Trạng thái cân hệ đơn chất, pha xác định biết hai thông số trạng thái độc lập Trên đồ thị trạng thái, trạng thái biểu diễn điểm Khi thơng số trạng thái điểm tồn thể tích hệ có trị số đồng khơng thay đổi theo thời gian, ta nói hệ trạng thái cân Ngược lại khơng có đồng nghĩa hệ trạng thái khơng cân Chỉ có trạng thái cân biểu diễn đồ thị điểm đó, cịn trạng thái khơng cân thơng số trạng thái điểm khác khác nhau, khơng biểu diễn đồ thị Trong giáo trình ta nghiên cứu trạng thái cân Khi hệ cân trạng thái thơng số trạng thái có giá trị xác định Khi môi chất hệ trao đổi nhiệt cơng với mơi trường xẩy thay đổi trạng thái có thông số trạng thái thay đổi 15 Chương Môi chất truyền nhiệt Mục tiêu: - Trình bày khái niệm khí lý tưởng và khí thực - Giải thích khác khí lý tưởng và khí thực - Tuân thủ quy định, quy phạm lĩnh vực nhiệt kỹ thuật Nội dung chính: 2.1 Khái niệm khí lý tưởng khí thực 2.1.1 Khái niệm khí lý tưởng: Khí lý tưởng khí mà kích thước phân tử tạo thành khí vơ bé (có thể bỏ qua) lực tương tác phân tử không đáng kể (coi 0) Trong thực tế khơng có khí lý tưởng Trong kỹ thuật, điều kiện nhiệt độ áp suất bình thường coi chất Hyđrơ, Ơxy, Nitơ, khơng khí, v.v khí lý tưởng Tóm lại, khí lý tưởng khí khơng tích thân phân tử, khơng có lực tương tác phân tử khơng có biến pha Hỗn hợp khí lý tưởng hỗn hợp học hai nhiều chất khí lý tưởng khơng xảy phản ứng hóa học chất khí thành phần Ví dụ: khơng khí xem hỗn hợp khí lý tưởng với chất khí thành thành gồm nitơ (N2), oxy (O2), dioxyt carbon (CO2), v.v Hỗn hợp khí sử dụng có tỷ lệ chất khí thành phần khác nên việc xây dựng bảng đồ thị cho chúng không thực tế Bởi vậy, người ta nghiên cứu phương pháp xác định thông số nhiệt động tính tốn với hỗn hợp khí lý tưởng Khí gọi khí lý tưởng hạt tạo thành khí phải tn theo lý thuyết vật lý cổ điển vật lý lượng tử, có ba loại khí lý tưởng: a Khí lý tưởng cổ điển: tuân thủ thống kê Maxwell-Boltzmann Khí lý tưởng cổ điển lại chia làm hai loại: loại thứ túy cổ điển entropy chúng cộng với số vô định; loại thứ hai giới hạn nhiệt độ cao hai loại khí lý tưởng lượng tử, số cộng thêm vào entropy xác định b Khí lý tưởng lượng tử: tuân thủ thống kê Bose (đặt tên theo nhà vật lý người Ấn Độ Satyendra Nath Bose) Các hạt boson có spin nguyên, chúng nằm trạng thái lượng tử khơng tn theo ngun lý Wolfgang Pauly 16 c Khí lý tưởng lượng tử: tuân thủ thống kê Fermi Fermion hạt có spin bán nguyên tuân thủ theo nguyên lý loại trừ Wolfgang Pauly, nguyên lý cho khơng có hai fermison có trạng thái lượng tử với Khái quát hóa, fermison hạt vật chất boson hạt truyền tương tác Trong đó, Spin đại lượng vật lý, có chất mơ men động lượng khái niệm túy lượng tử, khơng có tương ứng học cổ điển Trong học cổ điển, mô men xung lượng biểu diễn cơng thức L = r × p, cịn mơ men spin học lượng tử tồn hạt có khối lượng 0, spin chất nội hạt Các hạt electron, quark có spin (gọi tắt 1/2), coi chất điểm khơng có cấu trúc nội Khái niệm spin Ralph Kronig đồng thời độc lập với ông, George Unlenbeck, Samuel Goudsmit đưa lần đầu vào năm 1925 Khái niệm khí thực: khí thực khí mà thể tích thân phân tử khác không tồn lực tương tác phân tử Các loại khí tự nhiên khí thực, chúng tạo nên từ phân tử, phân tử chất khí có kích thước khối lượng định, phân tử chất khí tương tác với 2.2 Khái niệm, phân loại truyền nhiệt 2.2.1 Khái niệm truyền nhiệt Truyền nhiệt trình trao đổi nhiệt vật phân tử vật có nhiệt độ khác 2.2.2 Phân loại truyền nhiệt có ba hình thức truyền nhiệt riêng rẽ là: dẫn nhiệt, đối lưu xạ; phân biệt theo phương thức truyền động phân tử thuộc hai vật a Dẫn nhiệt: Dẫn nhiệt trình truyền nhiệt vật phần tử vật có nhiệt độ khác tiếp xúc trực tiếp với Dẫn nhiệt xẩy có chênh lệch nhiệt độ phần vật hai vật tiếp xúc Dẫn nhiệt túy xẩy hệ gồm vật rắn có tiếp xúc trực tiếp 17 b Trao đổi nhiệt đối lưu (tỏa nhiệt): Trao đổi nhiệt đối lưu trình trao đổi nhiệt xảy có dịch chuyển khối chất lỏng chất khí khơng gian từ vùng có nhiệt độ đến vùng có nhiệt độ khác Tỏa nhiệt tượng phân tử bề mặt vật rắn chạm vào phần tử chuyển động có hướng chất lỏng tiếp xúc với để trao đổi động Tỏa nhiệt xẩy vùng chất lỏng khí tiếp xúc với mặt vật rắn, kết hợp dẫn nhiệt đối lưu lớp chất lỏng gần bề mặt tiếp xúc Tùy theo nguyên nhân gây chuyển động chất lỏng, tỏa nhiệt phân loại: - Tỏa nhiệt tự nhiên tượng dẫn nhiệt vào chất lỏng chuyển động tự nhiên, xảy trường trọng lực nhiệt độ chất lỏng khác nhiệt độ bề mặt - Tỏa nhiệt cưỡng tượng dẫn nhiệt vào chất lỏng chuyển động cưỡng tác dụng bơm, quạt máy nén Cường độ tỏa nhiệt, tỷ lệ thuận với hệ số tỏa nhiệt [w/m2K], tính theo cơng thức Newton: q = (tw - tf)= ∆t (2-1) Trong ∆t hiệu số nhiệt độ bề mặt chất lỏng c Trao đổi nhiệt xạ: Trao đổi nhiệt xạ dạng trao đổi nhiệt khơng cần có tiếp (khác với đối lưu dẫn nhiệt) vật tham gia trao đổi Trao đổi nhiệt xạ tượng phân tử vật xạ hạt, truyền không gian dạng sóng điện từ, mang lượng đến truyền cho phân tử vật Khác với hai phương thức trên, trao đổi nhiệt xạ xẩy hai vật cách xa, không cần tiếp xúc trực tiếp thông qua môi trường chất lỏng khí, ln xây với chuyển hóa lượng nhiệt lượng điện từ Đây phương thức trao đổi nhiệt thiên thể vũ trụ, chẳng hạn mặt trời hành tinh Trên hình 2.1 minh hoạ phương thức trao đổi nhiệt a 18 b c 2 Hình 2.1 Các phương thức trao đổi nhiệt a Dẫn nhiệt; b Tỏa nhiệt; c Trao đổi nhiệt xạ Quá trình trao đổi nhiệt thực tế bao gồm phương thức nói trên, gọi q trình trao đổi nhiệt phức hợp Ví dụ, bề mặt vật rắn trao đổi nhiệt với chất khí tiếp xúc theo phương thức tỏa nhiệt trao đổi nhiệt xạ Mọi vật nhiệt độ phát lượng tử lượng truyền khơng gian dạng sóng điện từ, có bước sóng từ đến vô Theo độ dài sóng từ nhỏ đến lớn, sóng điện từ chia khoảng ∆ ứng với tia vũ trụ, tia gama , tia Roentgen hay tia X, tia tử ngoại, tia ánh sáng, tia hồng ngoại tia sóng vơ tuyến Thực nghiệm cho thấy, tia ánh sáng hồng ngoại mang lượng E đủ lớn để vật hấp thụ biến thành nội cách đáng kể, gọi tia nhiệt, có bước sóng (0,4 400) 10-6m Môi trường thuận lợi cho trao đổi nhiệt xạ vật chân khơng khí lỗng, hấp thụ xạ Khác với dẫn nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu, trao đổi nhiệt xạ có đặc điểm riêng là: - Ln có chuyển hóa lượng: từ nội thành lượng điện từ xạ ngược lại hấp thụ Không cần tiếp xúc trực tiếp gián tiếp qua môi trường chất trung gian, cần mơi trường truyền sóng điện từ, tốt chân khơng - Có thể thực khoảng cách lớn, cỡ khoảng cách thiên thể khoảng không vũ trụ 2.3 Khái niệm, phân loại chuyển pha đơn chất 2.3.1 Khái niệm chuyển pha: chuyển trạng thái chất từ nhiệt độ t1, áp suất p1 sang nhiệt độ t2, áp suất p2 bắt đầu chuyển từ 19 pha rắn sang pha hay ngược lại; từ pha rắn sang pha lỏng ngược lại; từ pha pha lỏng sang pha ngược lại 2.3.2 Phân loại chuyển pha: Môi chất công tác (MCCT) chất có vai trị trung gian trình biến đổi lượng thiết bị nhiệt Dạng đồng vật lý MCCT gọi pha Ví dụ, nước tồn pha lỏng, pha rắn pha (khí) Thiết bị nhiệt thông dụng thường sử dụng MCCT pha khí chất khí có khả thay đổi thể tích lớn nên có khả thực cơng lớn a Sự hóa ngưng tụ: Hóa trình chuyển từ pha lỏng sang pha Ngược lại, trình chuyển từ pha sang pha lỏng gọi ngưng tụ Để hóa hơi, phải cấp nhiệt cho MCCT Ngược lại, ngưng tụ MCCT nhả nhiệt Nhiệt lượng cấp cho kg MCCT lỏng hóa hồn tồn gọi nhiệt hóa (rhh), nhiệt lượng tỏa kg MCCT ngưng tụ gọi nhiệt ngưng tụ (rnt) Nhiệt hóa nhiệt ngưng tụ có trị số Ở áp suất khí quyển, nhiệt hóa nước 2258 kJ/kg b Sự nóng chảy đơng đặc: Nóng chảy trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, trình ngược lại gọi động đặc Cần cung cấp nhiệt để làm nóng chảy MCCT Ngược lại, đông đặc MCCT nhả nhiệt Nhiệt lượng cần cung cấp để kg MCCT nóng chảy gọi nhiệt nóng chảy (rnc), nhiệt lượng tỏa kg MCCT đông đặc gọi nhiệt đông đặc (rdd) Nhiệt nóng chảy nhiệt đơng đặc có trị số Ở áp suất khí quyển, nhiệt nóng chảy nước 333 kJ/kg c Sự thăng hoa ngưng kết: thăng hoa trình chuyển trực tiếp từ pha rắn sang pha Ngược lại với trình thăng hoa ngưng kết MCCT nhận nhiệt thăng hoa nhả nhiệt ngưng kết Nhiệt thăng hoa (rth) nhiệt ngưng kết (rnk) có trị số Ở áp suất p = 0,006 bar, nhiệt thăng hoa nước 2818 kJ/kg 2.4 Nhận dạng phân biệt chuyển pha, truyền nhiệt mơi chất 2.4.1 Nhận dạng phân biệt q trình chuyển pha 2.4.1.1 Q trình hóa đẳng áp Hơi chất lỏng sử dụng nhiều kỹ thuật Ví dụ nước sử dụng chạy turbine nước nhà máy nhiệt điện, để sấy nóng; Amoniac, Freon sử dụng thiết bị lạnh, v.v - Hóa q trình chuyển pha từ lỏng sang Hóa thực cách bay sôi 20 - Bay q trình hóa diễn bề mặt thoáng chất lỏng Cường độ bay phụ thuộc vào chất chất lỏng, áp suất nhiệt độ - Sơi q trình hóa diễn tồn thể tích chất lỏng Sự sôi diễn nhiệt độ xác định gọi nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hịa (ts) Nhiệt độ sơi phụ thuộc vào chất chất lỏng áp suất Ở áp suất khí quyển, nhiệt độ sôi nước 1000C Trong kỹ thuật, q trình hóa thường tiến hành áp suất khơng đổi, đặc điểm q trình hóa chất lỏng giống Q trình hóa đẳng áp nước đặc điểm trình trình bày áp dụng cho chất lỏng khác Giả sử có kg nước xy lanh, bề mặt nước có pít tơng có khối lượng khơng đổi Như vậy, áp suất tác dụng lên nước không đổi q trình hóa Giả sử nhiệt độ ban đầu nước t0, ta cấp nhiệt cho nước, q trình hóa đẳng áp diễn Hình 2.2 thể q trình hóa đẳng áp, nhiệt độ phụ thuộc vào lượng nhiệt cấp: t = f(q) Đoạn OA biểu diễn trình đốt nóng nước từ nhiệt độ ban đầu t0 đến nhiệt độ sôi ts Nước nhiệt độ t < ts gọi nước chưa sôi Khi chưa sôi, nhiệt độ nước tăng tăng lượng nhiệt cấp vào Đoạn AC thể q trình sơi Trong q trình sôi, nhiệt độ nước không đổi (ts = const), nhiệt cấp vào sử dụng để biến đổi pha mà không làm tăng nhiệt độ chất lỏng Thông số trạng thái nước điểm A ký hiệu là: i', s', u', v', v.v Hơi điểm C gọi bão hịa khơ, thơng số trạng thái ký hiệu là: i'', s'', u'', v'', v.v Hơi trạng thái A C gọi bão hòa ẩm, thơng số trạng thái ký hiệu ix, sx, ux, vx, v.v Sau toàn lượng nước hóa hơi, tiếp tục cấp nhiệt nhiệt độ tăng (đoạn CD) Hơi có nhiệt độ t > ts gọi nhiệt Hơi bão hịa ẩm hỗn hợp nước sơi bão hịa khơ Hàm lượng bão hịa khơ bão hịa ẩm đánh giá đại lượng độ khô (x) độ ẩm (y): = (2-2) y=1-x (2-3) đó: x- độ khơ; y- độ ẩm; mx- lượng bão hòa ẩm; mh- lượng bão hịa khơ; mn- lượng nước sơi 21 Hình 2.2 Q trình hóa đẳng áp Tương tự, tiến hành q trình hóa đẳng áp áp suất khác (p1, p2, p3, v.v.) biểu diễn đồ thị trạng thái p - v, đường, điểm vùng đặc trưng biểu diễn trạng thái nước sau: - Đường trạng thái nước chưa sôi: đường nối điểm O, O1,O2, O3 v.v gần thẳng đứng thể tích nước thay đổi tăng giảm áp suất - Đường giới hạn dưới: đường nối điểm A, A1, A2, A3, v.v biểu diễn trạng thái nước sôi độ khô x = - Đường giới hạn trên: đường nối điểm C, C1, C2, C3, v.v biểu diễn trạng thái bão hịa khơ có độ khơ x = - Điểm tới hạn K: điểm gặp đường giới hạn giới hạn Trạng thái K gọi trạng thái tới hạn, khơng cịn khác chất lỏng sơi bão hịa khơ Các thông số trạng thái K gọi thông số trạng thái tới hạn Nước có thơng số trạng thái tới hạn: pK = 221 bar, tK = 374 0C, vK = 0,00326 m3/kg - Vùng chất lỏng chưa sôi (x = 0): vùng bên trái đường giới hạn - Vùng bão hòa ẩm (0 < x < 1): vùng đường giới hạn - Vùng nhiệt (x = 1): vùng bên phải đường giới hạn 2.4.1.2 Bảng đồ thị Hơi chất lỏng thường phải xem khí thực, sử dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho sai số lớn Trong tính tốn kỹ thuật cho người ta thường dùng bảng số đồ thị xây dựng sẵn cho loại 22 a Bảng nước Trạng thái MCCT xác định biết hai thông số trạng thái độc lập Đối với nước sôi (x = 0) bão hịa khơ (x = 1) cần biết áp suất (p) nhiệt độ (t) xác định trạng thái biết trước độ khơ Đối với nước chưa sôi nhiệt người ta thường chọn áp suất (p) nhiệt độ (t) hai thông số độc lập để xây dựng bảng trạng thái Đối với bão hòa ẩm, người ta không lập bảng trạng thái mà xác định trạng thái sở độ khơ thơng số trạng thái nước sơi bão hịa khô sau: vx = v' + x (v'' - v') (2-4) ix = i' + x (i'' - i') (2-5) sx = s' + x (s'' - s') (2-6) ux = u' +x (u'' - u') (2-7) Nội khơng có bảng đồ thị Nội xác định theo enthalpy công thức sau: u = i - pv (2-8) b Đồ thị nước Bên cạnh việc dùng bảng, người ta sử dụng đồ thị trạng thái để tính tốn cho - Đồ thị T - s nước Trên đồ thị T-s (Hình 2.3), đường đẳng áp p = const vùng nước chưa sôi trùng với đường giới hạn (x = 0), vùng bão hòa ẩm đoạn thẳng nằm ngang trùng với đường đẳng nhiệt (T = const), vùng nhiệt đường cong lên Chiều tăng áp suất với chiều tăng nhiệt độ Các đường có độ khơ khơng đổi (x = const) xuất phát từ điểm tới hạn K tỏa xuống phía 23 Hình 2.3 Đồ thị T - s nước - Đồ thị i - s nước Đồ thị i - s nước (Hình 2.4) Mollyer xây dựng lần vào năm 1904 sở số liệu thực nghiệm Đồ thị i - s thuận tiện cho việc tính tốn nước, q trình đẳng áp ta có: dq = di - v.dp hay q = i2 - i1 Như vậy, nhiệt trình đẳng áp hiệu enthalpy Hình 2.4 Đồ thị i - s nước Trên đồ thị i - s, đường đẳng áp (p = const) vùng bão hòa ẩm trùng với đường đẳng nhiệt tương ứng đường thẳng xyên, vùng nhiệt đường cong lên có bề lồi quay phía Đường đẳng nhiệt (T = const) vùng bão hòa ẩm trùng với đường đẳng áp tương ứng, vùng nhiệt đường cong lên Càng xa đường x = 1, đường đẳng nhiệt gần song song với trục hồnh Đường đẳng tích (v = const) đường cong lên dốc đường đẳng áp, chúng thường vẽ đường nét đứt màu đỏ Trong thực tế kỹ 24 thuật, trình nhiệt động thường diễn vùng nhiệt phần vùng bão hịa ẩm có độ khơ cao Vì vậy, để đơn giản người ta thường vẽ phần 2.4.2 Nhận dạng phân biệt truyền nhiệt 2.4.2.1 Dẫn nhiệt a Định luật fourier hệ số dẫn nhiệt Dựa vào thuyết động học phân tử, Fourier chứng minh định luật dẫn nhiệt sau: Vec tơ dòng nhiệt tỷ lệ thuận với vectơ gradient nhiệt độ Biểu thức định luật có dạng vectơ là: (2-9) dạng vô hướng là: q = - gradt = - (2-10) Theo định luật này, nhiệt lượng Q dẫn qua diện tích F mặt đẳng nhiệt giây tính theo cơng thức: Q=- (2-11) Khi gradt không đổi bề mặt F, cơng thức có dạng: Q=- (2-12) Định luật Fourier định luật để tính lượng nhiệt trao đổi phương thức dẫn nhiệt b Hệ số dẫn nhiệt Hệ số định luật Fourier: = , W/mK gọi hệ số dẫn nhiệt Hệ số dẫn nhiệt đặc trưng cho khả dẫn nhiệt vật Giá trị phụ thuộc vào chất kết cấu vật liệu, vào độ ẩm nhiệt độ, xác định thực nghiệm với vật liệu cho sẵn theo quan hệ với nhiệt độ bảng thông số vật lý vật liệu 25 c Phương trình vi phân dẫn nhiệt (2-13) Với a = , m2/s, gọi hệ số khuếch tán nhiệt, đặc trưng cho mức độ khuếch tán nhiệt vật 2.4.2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu a Cơng thức tính nhiệt Thực nghiệm cho hay lượng nhiệt Q trao đổi đối lưu mặt F có nhiệt độ tw với chất lỏng có nhiệt độ tf tỷ lệ với F và: ∆t = tw - tf (2-14) Do đó, nhiệt lượng Q đề nghị tính theo cơng thức quy ước, gọi cơng thức Newton, có dạng sau: Q = F∆t [W] hay q = ∆t [W/m2] (2-15) b Hệ số tỏa nhiệt Hệ số công thức Newton nói trên, gọi hệ số tỏa nhiệt: = [W/m2K] Hệ số đặc trưng cho cường độ tỏa nhiệt, lượng nhiệt truyền từ 1m2 bề mặt đến chất lỏng có nhiệt độ khác nhiệt độ bề mặt độ Giá trị coi ẩn số tốn tỏa nhiệt, phụ thuộc vào thông số khác môi trường chất lỏng bề mặt, xác định chủ yếu cơng thức thực nghiệm c Phương trình tỏa nhiệt tiêu chuẩn Nu = f(Pr, Gr, Re) (2-16) Trong đó: + Nu = hệ số tỏa nhiệt không thứ nguyên chưa biết, gọi tiêu chuẩn Nusselt, đặc trưng cho cường độ tỏa nhiệt + Pr = độ nhớt không thứ nguyên, cho trước điều kiện vật lý, gọi tiêu chuẩn Prandtl, đặc trưng cho tính chất vật lý chất lỏng 26 + Re = vận tốc không thứ nguyên, gọi tiêu chuẩn Reynolds, đặc trưng cho chế độ chuyển động Trong tỏa nhiệt cưỡng Re tiêu chuẩn xác định Trong tỏa nhiệt tự nhiên, Re tiêu chuẩn chưa xác định phụ thuộc vào Gr Pr + Gr = lực nâng không thứ nguyên, cho trước theo điều kiện đơn trị, gọi tiêu chuẩn Grashof, đặc trưng cho cường độ đối lưu tự nhiên 2.4.2.3 Trao đổi nhiệt xạ a Công suất xạ tồn phần Q Cơng suất xạ tồn phần mặt F tổng lượng xạ phát từ F giây, tính theo phương mặt F với bước sóng ∈ (0, ∞) Q đặc trưng cho công suất xạ mặt F hay vật, phụ thuộc vào diện tích F nhiệt độ T F: Q = Q (F,T), [W] (2-17) b Cường độ xạ toàn phần E Cường độ xạ toàn phần E điểm M mặt F cơng suất xạ tồn phầnQ diện tích dF bao quanh M, ứng với đơn vị diện tích dF: [W/m2] E= (2-18) E đặc trưng cho cường độ BX toàn phần điểm M F, phụ thuộc vào nhiệt độ T M, E = E (T) Nếu biết phân bố E ∀ M ∈ F tìm được: Q= (2-19) E = const, ∀M ∈ F thì: Q = EF; [W] Q Q Q d dF M F M dF Hình 2.5 Các đại lượng đặc trưng cho xạ 27 c Cường độ xạ đơn sắc Cường độ xạ đơn sắc E bước sóng ở, điểm M ∈ F phần lượng 2Q phát từ dF quanh M, truyền theo phương xun qua kính lọc sóng có ∈ [ + d] ứng với đơn vị dF d: E = , [W/m3] (2-20) E đặc trưng cho cường độ tia xạ có bước sóng phát từ điểm M ∈ F, phụ thuộc vào bước sóng nhiệt độ T điểm M , E = E (, T) Nếu biết phân bố E theo tính E = Quan hệ E, E Q có dạng: Q= (2-21) Để phân biệt chuyển pha truyền nhiệt ta nhận thấy rằng: - Sự chuyển pha xảy chất - Sự truyền nhiệt xảy hai nhiều vật khác Tuy nhiên, trình chuyển pha trình truyền nhiệt trình nhiệt động 28 ... cơng kỹ thuật lấy giá trị dương ngược lại, áp suất tăng công kỹ thuật âm Công kỹ thuật hàm trình dlkt = -vdp ( 1- 3 ) Nếu trình tiến hành từ áp suất p1 đến áp suất p2 cơng kỹ thuật tính là: lkt = -. .. điện v.v biến đổi hồn tồn thành cơng nhiệt có phần biến thành cơng Phần nhiệt tối đa chuyển hoấ thành cơng q trình thuận nghịch gọi execfy e (J/kg) Phần nhiệt biến thành công gọi anergy a (J/kg)... du di vào ( 1- 1 8) ( 1- 1 9) ta có dạng khác biểu thức định luật nhiệt động I : dq = CvdT + pdv ( 1- 2 1) dq = CpdT - vdp ( 1- 2 2) 13 hệ hở: dlkt = dln + d( ) + gdh ( 1- 2 3) 1. 4.2 Phương trình nhiệt động