Bài giảng Kỹ thuật nhiệt

NỘI DUNG KHOA CƠ KHÍ – ĐẠI HỌC THỦY LỢI FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING KỸ THUẬT NHIỆT NỘI DUNG MÔN HỌC PHẦN I NHIỆT ĐỘNG HỌC PHẦN II CƠ SỞ TRUYỀN NHIỆT 2 PHẦN I NHIỆT ĐỘNG HỌC CHƢƠNG I NHỮNG KHÁI N[.]

KHOA CƠ KHÍ – ĐẠI HỌC THỦY LỢI FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING KỸ THUẬT NHIỆT NỘI DUNG MÔN HỌC PHẦN I NHIỆT ĐỘNG HỌC PHẦN II CƠ SỞ TRUYỀN NHIỆT PHẦN I NHIỆT ĐỘNG HỌC CHƢƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT CHƢƠNG II CÁC ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CÁC Q TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA MƠI CHẤT CHƢƠNG III CÁC CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CHƢƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT BÀI CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN BÀI THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT BÀI CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG BÀI PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MƠI CHẤT BÀI KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT – CÔNG VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BÀI CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Nhiệt động kỹ thuật môn học nghiên cứu quy luật biến đổi lƣợng có liên quan tới lƣợng nhiệt q trình lý hố khác nhau, có q trình biến đổi nhiệt thành ứng dụng kỹ thuật I NĂNG LƢỢNG VÀ CÁC DẠNG TRAO ĐỔI NĂNG LƢỢNG Năng lƣợng - Là mức đo chuyển động vật chất vật - Ứng với loại chuyển động → dạng lƣợng xác định - Phân loại theo tính chất chuyển động vật: Có loại: + Năng lƣợng chuyển động có hƣớng: Là tất dạng lƣợng trừ nhiệt Ví dụ: Cơ năng, hoá năng, điện năng… + Năng lƣợng chuyển động khơng có hƣớng Đó lƣợng nhiệt - Nhiệt năng lƣợng chuyển động hỗn loạn phân tử - Sự biến đổi nhiệt → dạng lƣợng khác cần phải nghiên cứu Nhiệt động học (NĐH) - Các dạng lƣợng chuyển biến lẫn sử dụng 1KJ  10 J 1KJ  0, 24 kcal đơn vị:  252 cal 1MJ  106 J Trong hệ SI: Đơn vị NĂNG LƢỢNG 1Btu LÀ Jun (J) 1Btu / h  0,3W 1J  0,24 cal Các dạng trao đổi lƣợng Có nhiều dạng trao đổi lƣợng vật nhƣng NĐH ý dạng là: Nhiệt Công a Nhiệt - Ký hiệu: Q (J), q (J/kg) - Quá trình truyền nhiệt xảy khi: + Hai vật có nhiệt độ khác + Tiếp xúc với - Lƣợng nhiệt trao đổi phụ thuộc trình truyền nhiệt - Quy ƣớc: Nhiệt lƣợng vật nhận đƣợc (+) Nhiệt lƣợng vật nhả (-) b Công - Ký hiệu: L (J), l (J/kg) - Là lƣợng lƣợng vật đƣợc tăng thêm có vật khác tác dụng công lên chúng Tức là: Vật A tác dụng công lên vật B làm tăng lƣợng vật B công nhận đƣợc - Cơng đại lƣợng phụ thuộc q trình - Quy ƣớc: Công vật sinh (+) Công vật nhận vào (-) II MƠI CHẤT, KHÍ THỰC VÀ KHÍ LÝ TƢỞNG Môi chât (MC) - Định nghĩa: Môi chất chất trung gian sử dụng máy nhiệt để thực trình trao đổi nhiệt công - Các dạng môi chất: Chất rắn, chất lỏng chất khí  Chất khí thƣờng đƣợc sử dụng làm mơi chất chúng có khả thay đổi thể tích lớn nên có khả trao đổi cơng lớn Khí thực - Trong tự nhiên, chất khí khí thực - Đặc điểm: + Tạo nên từ nguyên tử, phân tử + Có kích thƣớc thân (thể tích riêng) + Có lực tác dụng tƣơng hỗ lẫn Khí lý tƣởng (KLT) - Khí lý tƣởng khí khơng tồn thực tế, đƣợc đƣa để tiện cho việc nghiên cứu - Đặc điểm: + Các khí chất điểm chuyển động + Khơng có kích thƣớc thân (thể tích riêng) + Khơng có lực tƣơng tác khí - Trong thực tế, khí nhƣ: khơng khí, O2, H2, N2… điều kiện áp suất thấp nhiệt độ bình thƣờng coi khí lý tƣởng III HỆ NHIỆT ĐỘNG VÀ PHÂN LOẠI HỆ NHIỆT ĐỘNG Hệ nhiệt động môi trƣờng - Hệ nhiệt động vật nhiều vật đƣợc tách riêng khỏi vật khác để nghiên cứu tính chất nhiệt động chúng - Tất vật hệ gọi mơi trƣờng Phân loại HNĐ: Có loại hệ + Hệ kín + Hệ đoạn nhiệt + Hệ hở + Hệ lập a Hệ kín - Đặc điểm: + Là hệ trọng tâm hệ khơng chuyển động (khơng có chuyển động vĩ mơ) có chuyển động nhƣng với tốc độ nhỏ mà ta hồn tồn bỏ qua động + Khối lƣợng hệ khơng đổi + MC không qua bề mặt ranh giới hệ mơi trƣờng - Ví dụ: + Chất khí chứa bình kín + Hơi nƣớc chu trình động lực nƣớc nhà máy nhiệt điện b Hệ hở 10 - Đặc điểm: + Là hệ trọng tâm hệ có chuyển động (chuyển động vĩ mô) + Khối lƣợng hệ thay đổi + MC qua bề mặt ranh giới hệ môi trƣờng - Ví dụ: + Tuabin (hơi khí) + Máy nén khí c Hệ đoạn nhiệt - Đặc điểm: Là hệ không trao đổi nhiệt với môi trƣờng bên ngồi - Ví dụ: Chất khí xy lanh đƣợc bọc cách nhiệt tuyệt đối d Hệ cô lập - Đặc điểm: Là hệ mơi chất khơng trao đổi nhiệt cơng với mơi trƣờng - Ví dụ: Chất khí bình thép đƣợc bọc cách nhiệt coi hệ lập chất khí khơng trao đổi nhiệt nhƣ công với môi trƣờng (do thể tích khí bình khơng đổi) 191 Đặt qd  1  1 1 2 Với qd : độ đen quy dẫn hệ Cuối cùng:  T1 4  T2 4  q12  qd C0       100   100   (W / m2 ) 192 b> Khi có chắn Giả thiết: Giữa bề mặt ta đặt thêm chắn có độ đen m, nhiệt độ Tm chƣa biết Do trình trao đổi nhiệt ổn định chiều, nên: q12 = q1m = q2m Áp dụng: q1m q m2  T1 4  Tm 4   C      1    100   100   1  m 4   Tm   T2    C0      1 100 100        m 2 Kết hợp PT biến đổi rút gọn ta có:  T1 4  T2 4  q12  C0      1 100 100      1    1 2 m 193 Trong trƣờng hợp có n chắn có độ đen nhƣ ta có:  T1 4  T2 4  q12  C0         100   100   1    n   1 1 2  m  Nhận thấy: Càng có nhiều chắn nhiệt lƣợng trao đổi giảm Với giả thiết: 1 = 2 = 3 , ta có: q 12m  q12 n 1 Nhƣ vậy, lƣợng nhiệt trao đổi hai bề mặt đặt n chắn giảm (n+1) lần so với không đặt chắn 194 Trao đổi nhiệt xạ hai vật bọc Xét vật xám đục bọc nhau, giả thiết: + Vật lồi, có: F1, 1, A1, T1 (1-21).Qhd2 + Vật lõm, có: F2, 2, A2, T2 T2, 2 21.Qhd2 Nhận thấy: - Toàn dịng xạ hiệu dụng vật đến đƣợc vật T1, 1 - Ngƣợc lại, có phần dịng nhiệt xạ hiệu dụng vật rơi vật - Phần lại rơi thân vật - Hệ số góc xạ vật tới vật 1: tỷ số dòng xạ vật phát đập tới vật (Q21) so với tồn dịng xạ vật phát (Q2) 21  Q21 Q2 195 - Dòng xạ hiệu dụng vật lên vật là: Q12  Qhd1  Q1  1  A1  21Qhd2 - Dòng xạ hiệu dụng vật lên vật Q21  Qhd221 - Phần lại (1 – φ21) Qhd2 lại đập vào thân nó: Lƣợng nhiệt trao đổi bề mặt viết: * Q12  Qhd1  Qhd2 Với Qhd1  Q1  1  A1  21Qhd2 Qhd2  Q2  1  A2  Qhd1  1  A2  1  21  Qhd2  Và  T1  Q1  E1.F1  1C0   F1  100   T2  Q2  E F2   2C0   F2  100  196 Thay tất đại lƣợng vào PT (*) biến đổi ta có:  T1 4   T2  Q12  C0   F1    F2 21  1   100   100    21   1  1  2  ** Hệ số góc φ21 (cịn gọi hệ số hình dạng) đƣợc xác định từ điều kiện cân T1 = T2 Khi Q12 = 0, nên từ (**) rút ra: 21  F1 F2 Thay vào PT (**) ta có:  T1 4  T2 4  Q12  C0 F1       F1   100   100      1 1 F2  2  Đặt qd   F1     1 1 F2  2  qd : độ đen quy dẫn hệ *** 197 Vậy ta có:  T1 4  T2 4  Q12  qd C0 F1       100   100   Nhận thấy : Nếu F2 lớn F1 nhiều thì: qd  1, lúc ta có:  T1 4  T2 4  Q12  1C0 F1       100   100   (****) Công thức (***) (****) sử dụng bề mặt vật lồi phẳng, không đƣợc lõm vật phải lõm Có thể dùng cơng thức vật lồi vật lõm tạo nên khơng gian kín 198 CHƢƠNG VII TRUYỀN NHIỆT HỖN HỢP I KHÁI NIỆM VỀ TRAO ĐỔI NHIỆT HỖN HỢP Chúng ta nghiên cứu ba tƣợng trao đổi nhiệt là: dẫn nhiệt, đối lƣu xạ Để thuận tiện cho việc nghiên cứu nên phải tách riêng nhƣ Trong thực tế, ba dạng trao đổi nhiệt thƣờng xảy đồng thời có ảnh hƣởng lẫn Khi xảy đồng thời dạng trao đổi nhiệt ta có trao đổi nhiệt hỗn hợp (hay phức tạp) Ví dụ: Q trình dẫn nhiệt vật liệu xốp khơng thể tách rời q trình trao đổi nhiệt đối lƣu xạ lỗ rỗng… Trong trƣờng hợp này, ta chọn dạng trao đổi nhiệt để tính tốn cịn ảnh hƣởng dạng trao đổi nhiệt khác xem xét hệ số hiệu chỉnh 199 II TRUYỀN NHIỆT HỖN HỢP QUA VÁCH PHẲNG Truyền nhiệt qua vách phẳng lớp Giả sử: + Vách phẳng lớp, có  = const, + Chiều dầy  > chiều dày nhiều để nhiệt độ vách thay đổi theo hƣớng bán kính r1 - Vách trụ đồng chất có hệ số dẫn nhiệt: λ = const =const tw2 tf2 2 r r2 - Phía tiếp xúc với mơi trƣờng nóng có nhiệt độ tf1, hệ số toả nhiệt 1 - Phía ngồi tiếp xúc với mơi trƣờng lạnh có nhiệt độ tf2, hệ số toả nhiệt 2 Gọi tw1 tw2 nhiệt độ bề mặt tiếp xúc với mơi trƣờng + Dịng nhiệt ứng với đơn vị chiều dài: Q ql  l (W/m) 203 Ở chế độ nhiệt ổn định, dòng nhiệt truyền từ mơi trƣờng nóng tới vách bên (bằng đối lƣu) dòng nhiệt truyền qua vách (bằng dẫn nhiệt) dịng nhiệt truyền từ mặt ngồi vách tới mơi trƣờng lạnh (bằng đối lƣu) Do đó, ta có:  q   d  t  t  1 f1 w1  l  t w1  t w   q l  d  ln 2 d1   q l   d  t w  t f    t  t  q l  f1 w1 1d1   d2 t  t  q ln  w1 w l 2 d1   t w  t f  ql  2d  Giải hệ trên, ta đƣợc: ql  d 1  ln  1d1 2 d1  d  tf1  tf  204 Đặt kl  d2 1  ln  1d1 2 d1  d kl: Gọi hệ số truyền nhiệt vách trụ Vậy, ta có: ql = kl(tf1 – tf2) Nhiệt lƣợng: Ql = l.ql = l.kl(tf1 – tf2) Nhiệt trở truyền nhiệt vách trụ: d2 1 1 Rl    ln  kl 1d1 2 d1 2 d2 Nhiệt độ bề mặt vách là: t w1  t f1  q l 1d1 t w  t f  ql  d 205 Vách trụ nhiều lớp Giả sử: - Vách trụ nhiều lớp (n lớp) với đƣờng kính: d1, d2, d3…dn+1 - Vật liệu khác có hệ số dẫn nhiệt tƣơng ứng: λ1, λ2… λn Chứng minh tƣơng tự, ta có: ql = kl(tf1 – tf2) Ở đây: kl  1  1d1 n  i 1 d 1 ln i 1  2i di  d n 1 kl: Gọi hệ số truyền nhiệt vách trụ nhiều lớp Nhiệt trở vách trụ nhiều lớp bằng: 1 Rl    k l 1d1 n  i 1 d 1 ln i 1  2i di  d n 1 Nhiệt độ bề mặt vách trụ tiếp xúc với mơi trƣờng xác định: t w1  t f1  q l 1d1 t w  n 1  t f  ql  d n 1