TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM GVC.ThS. LÊ KIM DƯỢNG GIÁO TRÌNH BÀI GIẢNG MÔN HỌC: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT Tháng 1 năm 2005 1 MỤC LỤC Chương 1: Những khái niệm cơ bản. 1.1: Nguyên lý làm việc của máy nhiệt. 1.2: Hệ nhiệt động và phân loại 1.3: Chất môi giới 1.4: Trạng thái và thông số trạng thái nhiệt động 1.4.1: Thông số trạng thái. 1.4.2: Phương trình trạng thái. Chương 2: Chất môi giới. 2.1: Đònh nghóa 2.2: Hổn hợp khí lý tưởng. 2.2.1: Đònh luật Gip – Dalton. 2.2.2: Biểu thò thành phần hỗn hợp. 2.2.3: Xác đònh các đại lượng của hỗn hợp. 2.2.4: Phân áp suất thành phần. 2.3: Khí thực. 2.3.1: Khái niệm. 2.3.2: Quá trình hoá hơi đẳng áp (hơi nước ). 2.3.3: Phương pháp xác đònh thông số trạng thái của hơi. 2.4: Không khí ẩm. 2.4.1: Đònh nghóa. 2.4.2: Phân loại. 2.4.3: Các thông số đặc trưng của không khí ẩm. 2.4.4: Đồ thò i-d của không khí ẩm. Chương 3: Nhiệt và công. 3.1: Quá trình nhiệt động. 3.2: Nhiệt lượng và cách tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng. 3.2.1: Đònh nghóa nhiệt dung riêng. 3.2.2: Phân loại. 3.2.3: Sự phụ thuộc nhiệt dung riêng vào nhiệt độ. 3.2.4: Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng. 3.2.5: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí lý tưởng. 5 5 5 6 6 6 9 11 11 11 11 12 13 15 15 15 16 18 21 21 21 22 24 27 27 27 27 27 28 29 30 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 2 3.3: Các loại công. 3.3.1: Công thay đổi thể tích. 3.3.2: Công kỹ thuật. Chương 4:Đònh luật nhiệt động thứ nhất. 4.1: Nội dung,ý nghóa đònh luật. 4.2: Phương trình đònh luật nhiệt động thứ nhất. 4.2.1: Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát. 4.2.2: Phương trình đònh luật thứ nhất cho hệ kín và hở. 4.2.3: Phương trình đònh luật thứ nhất quá trình lưu động. 4.2.4: Phương trình đònh luật thứ nhất đối với quá trình hổn hợp. 4.3: ng dụng đònh luật thứ nhất để tính biến thiên các hàm trạng thái và các thông số quá trình. 4.3.1: Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng. 4.3.2: Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực. Chương 5: Các quá trình nhiệt động của khí và hơi. 5.1: Qúa trình nén khí hoặc hơi. 5.1.1: Khái niệm. 5.1.2: Quá trình nén khí trong máy nén piston một cấp 5.1.3: Quá trình nén khí trong máy nén piston nhiều cấp. 5.2: Quá trình lưu động . 5.2.1: Khái niệm. 5.2.2: Các giả thiết khi nghiên cứu quá trình lưu động. 5.2.3: Các công thức cơ bản của quá trình lưu động. 5.2.4: Sự phụ thuộc hình dạng ống dẫn vào tốc độ khi lưu động. 5.3: Quá trình tiết lưu. 5.3.1: Khái niệm và đặc điểm quá trình tiết lưu. 5.3.2: Hiệu ứng Joule-Thomson. Chương 6: Đònh luật nhiệt động thứ hai. 6.1: Chu trình nhiệt động. 6.1.1: Đònh nghóa về chu trình. 6.1.2: Chu trình thuận chiều. 6.1.3: Chu trình nghòch chiều. 6.1.4: Công của chu trình. 6.1.5: Hiệu suất nhiệt,hệ số làm lạnh,hệ số bơm nhiệt. 31 31 31 33 33 33 33 33 34 34 35 35 43 46 46 46 46 49 53 53 53 55 58 61 61 62 63 63 63 63 63 63 64 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 3 6.1.6: Chu trình Carnot. 6.2: Đònh luật nhiệt động thứ hai. 6.2.1: Nội dung và cách phát biểu. 6.2.2: Độ biến thiên entropy của hệ nhiệt động. 6.3: Exergy. 6.3.1: Khái niệm. 6.3.2: Các biểu thức về exergy. Chương 7: Chu trình thuận chiều. 7.1: Đònh nghóa và phân loại. 7.2: Chu trình động cơ đốt trong (kiểu piston). 7.2.1: Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích. 7.2.2: Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp. 7.2.3: Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp. 7.2.4: So sánh hiệu suất nhiệt. 7.3: Chu trình turbine khí. 7.3.1: Chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng áp. 7.3.2: Chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng áp có hồi nhiệt. 7.3.3: Chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng tích. 7.3.4: Chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng tích có hồi nhiệt. 7.4: Chu trình động cơ phản lực. 7.4.1: Chu trình động cơ phản lực trực lưu. 7.4.2: Chu trình động cơ phản lực turbine máy nén. 7.4.3: Chu trình tên lửa. 7.5: Chu trình động lực thiết bò hơi nước. 7.5.1: Chu trình Carnot khí thực.(hơi nước) 7.5.2: Chu trình Rankine. 7.5.3: Các biện pháp nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình khí thực 7.5.4: Chu trình quá nhiệt trung gian. 7.5.5: Chu trình hồi nhiệt. 7.5.6: Chu trình ghép. 7.5.7: Chu trình cấp nhiệt cấp điện. 65 67 67 67 69 69 69 71 71 71 72 74 76 77 79 79 81 83 85 86 86 87 89 91 91 92 94 96 97 100 102 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM 4 Chương 8: Chu trình ngược chiều. 8.1: Đònh nghóa và phân loại. 8.1.1: Đònh nghóa. 8.1.2: Phân loại. 8.2: Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt dùng không khí. 8.3: Chu trình máy lạnh dùng hơi. 8.3.1: Chu trình máy lạnh có máy nén. 8.3.2: Chu trình máy lạnh éjecteur. 8.3.3: Chu trình máy lạnh hấp thụ. Bài tập. Bảng. Đồ thò. 104 104 104 104 105 107 107 109 111 113 117 132 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 5 CHƯƠNG 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY NHIỆT Máy nhiệt là thiết bò thực hiện quá trình chuyển hoá giữa nhiệt năng và cơ năng ở hai nguồn nóng (T 1 ) và lạnh (T 2 ). Máy nhiệt được chia làm hai nhóm: Nhóm động cơ nhiệt và nhóm máy lạnh, bơm nhiệt. Động cơ nhiệt: Gồm máy hơi nước, động cơ đốt trong, động cơ phản lực, turbine hơi, turbine khí,… loại này làm việc theo nguyên lý chất môi giới nhận nhiệt (Q 1 ) từ nguồn nóng ( quá trình cháy nhiên liệu), kế đến là giãn nỡ để biến một phần nhiệt thành công (L 0 ), sau đó chất môi giới nhả phần nhiệt (Q 2 ) cho nguồn lạnh. Q 1 - Q 2 = L 0 . Máy lạnh và bơm nhiệt : Làm việc theo nguyên lý máy tiêu hao năng lượng L 0 , chất môi giới nhận nhiệt (Q 2 ) từ nguồn lạnh để làm lạnh vật, rồi truyền (Q 2 ) và (L 0 ) cho nguồn nóng. Máy lạnh sử dụng nhiệt (Q 2 ) để làm lạnh vật còn bơm nhiệt sử dụng (Q 1 ) để sưởi ấm hoặc sấy. Nhiệt và công là các dạng năng lượng là các đại lượng vật lý phụ thuộc vào quá trình. Qui ước : Nhiệt nhận Q > 0 Nhiệt nhả Q < 0 Công sinh ra L > 0 Công tiêu hao L < 0 Đơn vò : 1cal = 4,18 J 1 Btu = 252 cal (British Thermal Unit) 1 Btu/h = 0,3 W. 1.2: HỆ NHIỆT ĐỘNG VÀ PHÂN LOẠI . Hệ nhiệt động là một vật hoặc nhiều vật được tách ra để nghiên cứu những tính chất nhiệt động của nó. Hệ nhiệt động bao gồm : a/ Hệ kín và hệ hở : Đối với hệ kín chất môi giới không bao giờ đi xuyên qua bề mặt ranh giới ngăn cách giữa hệ thống với môi trường, khối lượng chất môi giới xem là không đổi. (môi chất trong máy lạnh…). Ngược lại hệ thống hở chất môi giới có thể vào và ra khỏi hệ thống. (động cơ đốt trong, động cơ phản lực, động cơ turbine…). b/ Hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt: Một hệ thống được gọi là cô lập khi hoàn toàn không trao đổi năng lượng nào (nhiệt và cơ năng) giữa chất môi giới và môi trường. Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 6 Nếu giữa hệ và môi trường chỉ không có sự trao đổi nhiệt mà thôi thì gọi là hệ đoạn nhiệt. 1.3: CHẤT MÔI GIỚI. Chất môi giới (CMG)là chất trung gian dùng để thực hiện các chuyển biến về năng lượng. Chất môi giới được sử dụng trong nhiệt động thường ở dạng khí hoặc hơi. (chất môi giới được xem là ở dạng khí khi các thông số thường gặp ở xa trạng thái bão hòa, loại này nhiệt độ tới hạn thấp. Ngược lại chất môi giới được gọi là dạng hơi.) Trong nhiệt động kỹ thuật chất môi giới ở dạng khí được chia làm hai loại: Khí lý tưởng và khí thực. Chất khí được xem là khí lý tưởng khi hội đủ 2 yếu tố : - Thể tích bản thân phân tử khí bằng không. - Lực tương tác giữa các phân tử cũng bằng không. Còn lại được gọi là khí thực. 1.4: TRẠNG THÁI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI . Trạng thái là tập hợp các đại lượng xác đònh tính chất vật lý của chất môi giới tại thời điểm nào đó. Các thông số dùng để xác đònh trạng thái của chất môi giới được gọi là thông số trạng thái, ở mỗi trạng thái xác đònh thì thông số trạng thái cũng có những giá trò xác đònh. Một trạng thái được gọi là cân bằng của chất môi giới khi các thông số trạng thái có cùng một giá trò ở mọi điểm trong toàn bộ khối chất môi giới. Ngược lại gọi là trạng thái chất môi giới không cân bằng. 1.4.1: Thông số trạng thái. Để biểu diễn trạng thái của chất môi giới người ta nhờ đến ba thông số trạng thái cơ bản: Nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng. Ngoài 3 thông số này còn dùng đến các thông số khác như : Nội năng, Enthanpy, Entropy, Exergy, … a/ Nhiệt độ : Nhiệt độ là thông số biểu thò mức độ nóng lạnh của vật, còn theo thuyết động học phân tử nhiệt độ biểu thò giá trò động năng trung bình của các phân tử chuyển động tònh tiến. kT m 23 2 2 (1-1) Trong đó: T : Nhiệt độ tuyệt đối, K m : Khối lượng phân tử, kg : Vận tốc trung bình các phân tử, m/s k : Hằng số Boltzmann. k = 1,3805 .10 -23 (J/độ) Để xác đònh nhiệt độ người ta thường dùng 2 thang đo nhiệt độ: Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 7 Nhiệt độ bách phân. ( Nhiệt độ Celcius : t, 0 C ) Nhiệt độ tuyệt đối. ( Nhiệt độ Kelvin : T, K ) Mối quan hệ : T(K) = t( 0 C) + 273,15 Ngoài ra còn có các thang nhiệt độ khác như : Nhiệt độ Fahrenheit t( 0 F), Rankine T( 0 R). Mối quan hệ : 32 9 5 FtCt oo (1-2) 15,273 9 5 RTCt oo (1-3) b/ p suất: p suất là lực tác dụng các phân tử theo phương pháp tuyến lên một đơn vò diện tích thành bình chứa. S F p (N/m 2 ) (1-4) Ở đây: p : áp suất tuyệt đối (N/m 2 ) F : lực tác dụng (N) (1 N = 1 kgm/s 2 ) S : diện tích thành bình (m 2 ) Để đo áp suất người ta dùng nhiều đơn vò đo khác nhau, ta có mối quan hệ giữa các đơn vò đo áp suất như sau : 1at = 9,81 . 10 4 (N/m 2 ) 0,981bar 9,81 . 10 4 Pa = 1 kG/cm 2 = 14,7 psi = 10 mH 2 O = 735,5 mmHg Ngoài ra ta có các khái niệm khác về áp suất như: * Khi đo áp suất bằng chiều cao cột thủy ngân phải qui về điều kiện 0 0 C trước khi chuyển đổi đơn vò, theo công thức: h 0 0 C = h (1- 0,000172.t) Trong đó : h 0 0 C : chiều cao cột thuỷ ngân ở 0 0 C . h : chiều cao cột thuỷ ngân ở t 0 C. P P d P kt P ck P Trong đo ù: p: áp suất tuyệt đối p d : áp suất dư p KT : áp suất khí trời p CK : áp suất chân không Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 8 c/ Thể tích riêng: Thể tích riêng là thể tích của một đơn vò khối lượng. Nếu một lượng khí có khối lượng là G kg, thể tích là V m 3 thì thể tích riêng sẽ là: v = G V , (m 3 /kg) (1-5) Khối lượng riêng là đại lượng nghòch đảo của thể tích riêng. v 1 , (kg/m 3 ) (1-6) d/ Nội năng: ( ký hiệu: u, J/kg) Nội năng của một vật bao gồm: nhiệt năng, hoá năng, năng lượng nguyên tử. Đối với quá trình nhiệt động hoá năng và năng lượng nguyên tử không thay đổi nên sự thay đổi nội năng của vật chỉ là sự thay đổi nhiệt năng. Nội năng bao gồm: Nội động năng và nội thế năng. Nội động năng sinh ra là do chuyển động tònh tiến, chuyển động dao động, chuyển động quay của các phân tử. Nội thế năng sinh ra là do lực tương tác các phân tử. Theo thuyết động học phân tử thì nội động năng phụ thuộc vào nhiệt độ, nội thế năng phụ thuộc vào khoảng cách các phân tử, là hàm đơn trò của thể tích, do vậy: u = f (T, v) Đối với khí lý tưởng thì: u = f (T) Mặt khác nội năng là một thông số trạng thái, chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối, không phụ thuộc vào quá trình tiến hành. du = c v dT. Khi cho quá trình tiến hành từ trạng thái 1đến trạng thái 2 độ biến thiên nội năng sẽ là: u = c v ( T 2 – T 1 ) (1-7) Ở đây: c v là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích(J/kg.độ) e/ Năng lượng đẩy: (d : J/kg) Đối với dòng khí hoặc chất lỏng chuyển động, ngoài động năng và thế năng bên ngoài còn một năng lượng giúp khối khí dòch chuyển, gọi là năng lượng đẩy. Năng lượng đẩy được xác đònh bằng biểu thức : d = pv (1-8) Năng lượng đẩy là một thông số trạng thái và chỉ có ở hệ hở, khi dòng khí chuyển động thì năng lượng đẩy thay đổi và tạo ra công lưu động để đẩy dòng khí dòch chuyển. f/ Enthanpy : (i, h: J/kg) Enthanpy là một thông số trạng thái. Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 9 Trong nhiệt động enthanpy được đònh nghóa bằng biểu thức: i = u + pv (1-9) Đối với khí thực enthanpy phụ thuộc vào 2 trong 3 thông số trạng thái cơ bản, còn đối với khí lý tưởng thì: (1-9) di = du + d(R.T) di = c v dt + RdT di = c p dT. Độ biến thiên enthanpy giữa hai trạng thái 1 và 2 sẽ là: i = c p (T 2 – T 1 ) (1-10) g/ Entropy: (s: J/kg.độ) Entropy là một đại lượng vật lý mà sự thay đổi của nó chứng tỏ có sự trao đổi nhiệt. Phương trình vi phân entropy có dạng : T dq ds ( 1-11) dq : nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường trong quá trình vô cùng bé. h/ Exergy: (e: J/kg) Exergi là năng lượng tối đa có thể biến hoàn toàn thành công trong quá trình thuận nghòch. Đối với nhiệt năng: q = e + a (1-12) Trong đó : q : nhiệt năng e : exergy a : anergy – phần nhiệt năng không thể biến thành công. 1.4.2: Phương trình trạng thái : Phương trình trạng thái của chất khí một cách tổng quát được biểu diễn theo mối quan hệ hàm số như sau: F ( p,v,T) = 0 Nó cho phép ta xác đònh được một trạng thái bất kỳ khi biết 2 trong 3 thông số trạng thái. a/ Phương trình trạng thái của khí lý tưởng : + Phương trình trạng thái khi viết cho 1 kg khí có dạng : p.v = R.T (1-13) Trong đó : p : áp suất tuyệt đối (N/m 2 ) v : Thể tích riêng (m 3 /kg) R : Hằng số chất khí (J/kg.độ) T : Nhiệt độ tuyệt đối (K) Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM [...]... http://www.hcmute.edu.vn -1 0- + Phương trình trạ ng thái đối với G kg khí : p.v.G = G.R.T p.V = G.R.T ( 1- 1 4) + Phương trình khi viết cho 1 kmol chấ t khí: Từ ( 1- 1 3) p.v. = .R.T pV = .R.T với : V = v : Thể tích 1 kmol khí (m3/kmol) Đặt : R = .R : Hằng số phổ biến chất khí (J/kmol.độ) pV = RT R = ( 1- 1 5) pV ( 1- 1 6) T Theo Avogadro – Ampere: ở điều kiện tiêu chuẩn : p = 760 mmHg, t = 00C = 273 ,15 K,... 273 ,15 K, thể tích 1 kmol khí lý tưởng V = 22,4 m3 vậy : 760 5 HCM 10 22, 4 TP 10 1332.22,4 huat R = 750 Ky t 273 ,15 273 ,15 ham up DH S g R = 8 314 (J/kmol.độ) ruon n©T e R quy Ban 8 314 R= b/ Phương trình trạng thái khí thực: Trong thực tế cá c khí sử dụng đều là khí thực và việc tính toá n nó rất phức tạ p Để thiết lậ p phương trình cho khí thực người ta dựa vào phương trình của khí lý... rút ra từ thực nghiệm Theo Vander Waals phương trình có dạ ng: a p 2 .v b R.T v ( 1- 1 7) Trong đó: a/v2: Hệ số điều chỉnh về áp suất nội bộ, khi kể đến lự c tá c dụng tương hỗ giữ a cá c phân tử b : Hệ số điề u chỉnh về thể tích bản thân phân tử a,b: Còn gọi là cá c hằng số cá biệt biến thiên theo các loạ i chất khí Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn . thuộc nhiệt dung riêng vào nhiệt độ. 3.2.4: Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng. 3.2.5: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí lý tưởng. 5 5 5 6 6 6 9 11 11 11 11 12 13 15 15 . 8.3 .1: Chu trình máy lạnh có máy nén. 8.3.2: Chu trình máy lạnh éjecteur. 8.3.3: Chu trình máy lạnh hấp thụ. Bài tập. Bảng. Đồ thò. 10 4 10 4 10 4 10 4 10 5 10 7 10 7 10 9 11 1 11 3. Đònh luật nhiệt động thứ hai. 6 .1: Chu trình nhiệt động. 6 .1. 1: Đònh nghóa về chu trình. 6 .1. 2: Chu trình thuận chiều. 6 .1. 3: Chu trình nghòch chiều. 6 .1. 4: Công của chu trình. 6 .1. 5: Hiệu