Bài giảng nhập môn kỹ thuật cơ khí chương 6 pgs ts bùi ngọc tuyên

Tổng quan- Hệ thống nhiệt và năng lượng bao gồm: động cơ đốt trong, động cơ phản lực, cáchệ thống gia nhiệt và làm lạnh, hệ thống phát điện từ nhiều nguồn tài nguyên khácnhau như:mặt tr

Chương 6 Hệ thống nhiệt và năng lượng

6.1 Tổng quan

6.2 Cơ năng và công suất

6.3 Nhiệt – Biến đổi năng lượng

6.4 Bảo toàn và biến đổi năng lượng

6.5 Động cơ nhiệt và hiệu suất

6.6 Một số vấn đề nghiên cứu

6.6.1 Động cơ đốt trong 6.6.2 Nhà máy phát điện 6.6.3 Động cơ phản lực

6.1 Tổng quan

- Hệ thống nhiệt và năng lượng bao gồm: động cơ đốt trong, động cơ phản lực, các

hệ thống gia nhiệt và làm lạnh, hệ thống phát điện ( từ nhiều nguồn tài nguyên khácnhau như:mặt trời, gió, thủy điện, điện địa chất, sinh khối, dầu, xăng, khí gas, than

đá, năng lượng hạt nhân)

- Các đặc trưng của năng lượng, các dạng khác nhau của năng lượng, các phươngpháp biến đổi năng lượng là trung tâm của kỹ thuật cơ khí

- Các máy móc tiêu thụ hoặc cung cấp năng lượng thường bao gồm các quá trinhbiến đổi năng lượng hóa chứa trong nhiên liệu thành năng lượng nhiệt, biến đổinăng lượng nhiệt thành công cơ học và làm quay trục, truyền năng lượng giữa các

vị trí khác nhau nhằm mục đích gia nhiệt hay làm lạnh

Relationship of the topics emphasized in this chapter (shaded boxes) relative to an overall program of study in mechanical engineering

Cutaway view of an engine that powers off-road construction equipment The engine converts the thermal energy produced by burning diesel fuel into mechanical work

6.2 Cơ năng, công và công suất

 Thế năng (Graviational Potential Energy)

Gia tốc trọng trường: g = 32,174 ≈ 32,2

g = 9,8067 ≈ 9,81 Thế năng: Ug = mgΔh ( >0 khi Δh>0, <0 khi Δh<0)

Đơn vị năng lượng và công: Joule (J) trong hệ SI và ft.lb trong hệ USCS

Conversion Factors Between Various Units for Energy and Work in the USCS and SI

 Năng lượng đàn hồi (Elastic Potential Energy)

Năng lượng đàn hồi được lưu trữ bởi một vật thể khi kéo dãn hoặc uốn như mô tảbởi định luật Húc Với một lò so có độ cứng là k,kéo dãn dài là ΔL= L- L0 thì nănglượng đàn hồi được lưu giữ là:

Uk = 𝟏

𝟐 mv2

Ví dụ 1: Hãy tính năng lượng đàn hồi tích trữ trong 2 phần thẳng của bu lông chữ u trong VD của chương 5

Ví dụ 2: Tính động năng của một chiếc máy bay Boeing 767 có tải trọng lượng lớn nhất là 350000 lb và bay với vận tốc 400 dặm/giờ (tính động năng theo cả hai

hệ thống đơn vị USCS và SI

Ví dụ 3: Hãy xác định công suất của động cơ điện theo đơn vị mã lực cung cấp năng lượng cho thang máy tải hàng trong một tòa nhà bốn tầng Cho biết chiều caocủa tòa nhà là 50 ft., thang máy có tải trọng 500 lb và nó có thể chở thêm 2500 lb hàng hóa thời gian di chuyển từ mặt đất đến tầng trên cùng là 20s

Ví dụ 3: Hãy xác định công suất của động cơ điện theo đơn vị mã lực cung cấp năng lượng cho thang máy tải hàng trong một tòa nhà bốn tầng Cho biết chiều caocủa tòa nhà là 50ft, thang máy nặng 500 lb và nó có thể chở thêm 2500 lb hàng hóathời gian di chuyển từ mặt đất đến tầng trên cùng là 40s

Work of a force that is applied to a piston sliding within a cylinder, (a) The force reinforces displacement as the gas in the cylinder is compressed (Ad > 0) (b) The force opposes displacement as the gas expands (Ad < 0).

 Công của một lực (Work of a Force)

Công W của lực tác động lên pit tông làm cho nó dịch chuyển một khoảng cách Δd:

W= Δd

Conversion Factors Between Various Units for Power in the USCS and SI

.

 Công suất (Power)

Khi một lực tạo ra một công W trong thời gian Δt, ta có công suất trung bình là:

Pavg = Δt𝑾

 Giá trị nhiệt (Heating Value)

Năng lượng đầu ra của quá trình đốt cháy nhiên liệu được đo bằng một đại lượng gọi làgiá trị nhiệt ký hiệu H  lượng năng lượng được giải phóng của một đơn vị khối

lượng nhiên liệu đốt cháy Giá trị nhiệt cho biết khả năng giải phóng nhiệt của một loạinhiên liệu Nhiệt sinh ra khi đốt một khối lượng nhiên liệu m : Q = m.H

 Nhiệt dung riêng (Specific Heat)

Khi nhiệt truyền đến một vật thể khối lượng m, nhiệt độ của nó tăng từ giá trị ban đầu T0 đến nhiệt độ T, lượng nhiệt này được xác định theo công thức:

Q = mc (T – T0 )

c: nhiệt dung riêng của vật liệu

Specific Heat of Certain Materials

 Truyền nhiệt (Transfer of Heat)

- Ba cơ chế truyền nhiệt: dẫn nhiệt (conduction), đối lưu (convection), bức

xạ (radiation)

- Định luật Fourier về truyền nhiệt:

Heat conduction along the length of a metal rod.

Q = κ𝑨𝜟𝒕(Th – Tl )

Thermal Conductivity of Certain Materials

 Sản xuất năng lượng và tiêu thụ năng lượng tai Mỹ

6.4 Bảo toàn và chuyển đổi năng lượng ( Energy Conservation and Conversion)Định luật thứ nhất về nhiệt động học:

Q = W + ΔU

Schematic of the first law for energy balance in a thermal and energy system

6.5 Động cơ nhiệt và hiệu suất

Động cơ nhiệt được cung cấp một

lượng nhiệt đầu vào là Qh, một phần

của Qh được biến đổi thành công cơ

học W, phần còn lại được thải ra Ql

Hiệu suất động cơ nhiệt:

Hiệu suất carnot lý tưởng của máy

nhiệt:

Tl , Th nhiệt đô đo theo thang đo Ken

vin hoặc Rankin

Typical Efficiencies of Thermal and Energy Systems

World energy use by fuel type

6.6 Một số vấn đề nghiên cứu

6.6.1 - Động cơ đốt trong (Internal Combustion Engines)

Động cơ đốt trong biến đổi năng lượng hóa học lưu trữ trong nhiên liệu ( xăng, dầu, ethanol, propne) thành công cơ học Khi nhiên liệu cùng với không khí được đưa vào xi lanh được đốt cháy, áp suất cao sinh ra trong xi lanh làm cho pit tông chuyển động tácđộng lên thanh truyền và làm quay trục khuỷu Các thành phần chính của một động cơđốt trong: Pit tông, xi lanh, thanh truyền, trục khuỷu,…Các thành phần này biến chuyểnđộng tịnh tiến khứ hồi của pit tông thành chuyển động quay của trục khuỷu

Layout of a singlecylinder internal- combustion engine.

Động cơ đốt trong một xy lanh có kết cấu đơn giản, công suất nhỏ Thực tế thường làđộng cơ nhiều xy lanh với các pit tông và xy lanh được bố trí theo hình chữ V, theo

đường thẳng hoặc hướng kính

Công suất tạo ra bởi động cơ đốt trong phụ thuộc vào nhiều yếu tố như số xi lanh, điềuchỉnh van bướm, tốc độ,

Measured power output of an automobile's 2.5-L engine as a function of speed

This 1.4-L four- cylinder engine produces a

peak power output of 55 kW This engine is

the range extender for the plug-in hybrid

electric Chevrolet Volt

Động cơ 4 kỳ hoạt động theo một quá trình liên tục gọi là một chu trình Otto gồm có

4 giai đoạn gọi là 4 kỳ, tương ứng với 2 vòng quay của trục khuỷu như sau:

Đồ thị mô tả áp suất trong xy lanh động cơ 4 kỳ:

Measured pressure curve for a four-stroke engine operating at 900 rpm

Hai van: van nạp (intake valve) và van xả (exhaust valve) được đóng mở theo chutrình nhờ cam

One type of cam and valve mechanism that is used in

a four- stroke internal- combustion engine.

b) Động cơ 2 thì

Cross section of a two-stroke internal- combustion engine using crankcase compression.

 So sánh ưu nhược điểm động cơ hai kỳ và động cơ 4 kỳ:

- Đơn giản, nhẹ, giá thành thấp, có

độ tin cậy cao

- Có một phần nhỏ nhiên liệu

không cháy hết xả ra môi trường

làm ô nhiễm và lãng phí

- Dầu bôi trơn hòa lẫn vào nhiên

liệu đốt cũng làm tăng khí thải ô

nhiễm môi trường

- Phức tạp về kết cấu, giá thànhcao

- Hiệu quả đốt nhiên liệu cao hơn

- Khí thải ít gây ô nhiễm mộitrường hơn

6.6.2- Nhà máy phát điện (Electrical Power Generation)

Nhà máy điện sử dụng chu trình năng lượng trên cơ sở dẫn động tuôc bin và các

bộ phát điện sử dụng hơi có nhiệt độ cao, áp suất cao

Sources of Electrical Power in the United states

The energy cycle used in an electrical power generation plant

Sơ đồ nhà máy điện

The primary, secondary, and tertiary loops in a nuclear power plant

Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân

6.6.3- Động cơ phản lực (Jet Engines)

Động cơ phản lực được phát minh bởi Frank Whittle (1907 - 1996) năm1929

Cutaway view of a commercial jet engine

Paths of airflow in (a) turbojet and (b) turbofan engines

Hai loại động cơ phản lực :

- Turbojet: Khí được hút vào phía

trước động cơ được nén lại bên

trong lõi cùng với nhiên liệu được

đốt cháy dãn nở và thải ra qua các

lỗ phun phía sau động cơ Khí thải

với tốc độ cao đẩy qua các lỗ phun

tạo ra lực đẩy phản lực cho máy bay

chuyển động về phía trước

- Turbofan: được tạo ra xung quanh

lõi phản lực Lực đẩy của máy bay

là kết hợp lực đẩy của cánh quạt và

lực đẩy phản lực của khí thải tốc độ

cao đẩy ra qua các lỗ phun

(a) Block diagram of the energy cycle for a jet engine, (b) Cross-sectional view of the core's internal structure and components.

Sơ đồ kết cấu lõi động cơ phản lực :

Tổng kết chương:

Quantities, Symbols, and Units that Arise when Analyzing Thermal and Energy Systems

Key Equations that Arise when Analyzing Thermal and Energy Systems

Exercise 1:

Một mũi khoan bằng thép có đường kính 8 mm và dài 15 cm đang được xử lý nhiệttrong bể dầu Mũi khoan được gia nhiệt đến 850 ° C được ram và giữ ở 600 ° C, sau

đó được ram lần thứ hai đến 20 ° C Tính nhiệt lượng phải toả ra ở hai giai đoạn ram

A steel drill rod that is 8 mm in diameter and 15 cm long is being heat treated in anoil bath The 850°C rod is quenched and held at 600°C and then quenched a secondtime to 20°C Calculate the quantities of heat that must be removed at the twoquenching stages

EXERCISES

Exercise 2:

Một văn phòng nhỏ có một cửa sổ kích thước 3 x 4 ft trên một bức tường Cửa sổđược làm từ kính tấm dày 1/8 inch Trong khi đánh giá hệ thống sưởi và thông giócủa tòa nhà, một kỹ sư cần tính toán lượng nhiệt thất thoát qua cửa sổ vào một ngàymùa đông Mặc dù chênh lệch nhiệt độ của không khí bên trong và bên ngoài vănphòng lớn hơn nhiều nhưng hai bề mặt của kính chỉ chênh lệch nhau 3 ° F Hãy xácđịnh nhiệt lượng (theo đơn vị oát,) bị mất qua cửa sổ mỗi giờ là bao nhiêu ?

A small office has a 3 x 4 ft window on one wall The window is made from pane glass that is 1/8 in thick While evaluating the building’s heating andventilation system, an engineer needs to calculate the heat loss through the window

single-on a winter day Although the temperature difference of the air inside and outsidethe office is much larger, the two surfaces of the glass differ by only 3°F In units ofwatts, what quantity of heat is lost through the window each hour?

Exercise 3: Hydroelectric Power Plan

Chiều cao của đập nước trong nhà máy thuỷ điện là 100 m Nước chảy qua nhàmáy và đổ ra sông hạ lưu với tốc độ 500 m3 / s Bỏ qua tổn thất do độ nhớt củanước chảy và mất mát năng lượng của tuabin và máy phát điện, hãy xác định nănglượng điện được tạo ra sau mỗi giây?

The vertical drop of water in a hydroelectric power plant is 100 m (Figure 7.8).Water flows through the plant and into the lower river at the rate of 500 m3/s.Discounting viscous losses in the flowing water and the inefficiency of the turbinesand generators, how much electrical energy can be produced each second?

Exercise 4: Automotive Disk Brakes

The driver of a 1200-kg automobile traveling at 100 km/h applies the brakes andbrings the vehicle to a complete stop The vehicle has front and rear disk brakes,and the braking system is balanced so that the front set provides 75% of the totalbraking capacity Through friction between the brake pads and the rotors, the brakesconvert the automobile’s kinetic energy into heat If the two front 7-kg brake rotorsare initially at a temperature of 25gC, how hot are they after the vehicle stops? Thespecific heat of cast iron is c = 0.43 kJ/(kg.°C)

Exercise 5:

A solar power system capable of heating water into steam to power a turbine/generator needs to be designed The problem definition includes the followinginformation and system requirements:

pressure steam leaving the turbines is condensed back into liquid water so that itcan be pumped back into the steam generator The water supplies in the threeloops do not mix, but heat is exchanged between them via the steam generatorand the condenser

Each second, 0.9 kj of solar energy strikes a square meter of ground

The target value for the real efficiency of this system is 26%

The system needs to produce an average of 1 MW of power during a 24-h period.The heat engine releases its waste heat into the surrounding air

(a) Design a solar power system to fulfill these requirements, (b) Assuming theresulting steam powers an ideal Carnot heat engine that operates between 7’i —25°C and T|, = 400°C, calculate the upper bound on efficiency for the engine,

(a) System requirements

(b) Conceptual design

(c) Detailed design:

Exercise 6:

A coal-fired power plant produces a net electricity output of 1 GW

A key problem faced by the power plant is the emission of sulfur as a combustionby-product The coal contains 1% sulfur, and it is known to react with rainwater

in the atmosphere to produce sulfuric acid—the main ingredient of acid rain Thepower plant is equipped with a scrubber system that removes 96% of the sulfurfrom the exhaust gas See Figure 7.23 (a) By using the plant’s real efficiency of32%, calculate the plant’s daily fuel consumption, (b) How much sulfur escapesthe scrubber and is released into the environment each day?