Bài giảng môn học Kỹ thuật nhiệt - Giảng dạy cho sinh viên ngành công nghệ thực phẩm và sau thu hoạch

Các thông số trạng thái của môi chất: Thông số trạng thái của MCCT là các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của MCCT.. - Trạng thái cân bằng nhiệt động là trạng thái t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ

BÀI GIẢNG MÔN HỌC: KỸ THUẬT NHIỆT

Giảng dạy cho sinh viên ngành công nghệ thực phẩm và

STH CBGD: Ths LÊ NHƯ CHÍNH Đơn vị: Bộ môn Kỹ thuật nhiệt lạnh , Khoa Cơ Khí

Nha trang, tháng 12 năm 2014

Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

I Môi chất và hệ nhiệt động

1 Môi chất:

- Để thực hiện quá trình biến đổi giữa nhiệt và công trong máy nhiệt người ta dùng chất trung gian gọi là môi chất (chất môi giới)

2 Hệ nhiệt đông:

Hệ nhiệt động (HNĐ) là một vật hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật khác để nghiên cứu những tính chất nhiệt động của chúng Tất cả những vật ngoài HNĐ được gọi là môi trường xung quanh Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động và môi trường xung quanh được gọi là ranh giới của HNĐ.

Hệ kín:

• Hệ nhiệt động kín - HNĐ trong đó không có sự trao

đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh

Hệ nhiệt động hở - HNĐ trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi trường xung quanh

• Hệ nhiệt động cô lập - HNĐ được cách ly hoàn toàn với môi trường xung quanh.

Hệ đoạn nhiệt : là hệ không trao đổi nhiệt với môi trường

3 Các thông số trạng thái của môi chất:

Thông số trạng thái của MCCT là các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của MCCT

- Trạng thái cân bằng nhiệt động là trạng thái trong đó các thông

số trạng thái của HNĐ có giá trị như nhau trong toàn bộ HNĐ và không đổi theo thời gian nếu như không có tác động (nhiệt hoặc công) từ môi trường xung quanh Ngược lại, trạng thái khi các thông số trạng thái có giá trị khác nhau trong HNĐ được gọi là trạng thái không cân bằng

-Các thông số nhiệt độ, thể tích riêng được gọi là thông số

trạng thái cơ bản vì chúng có thể đo trực tiếp được Các thông

số còn lại gọi là hàm trạng thái vì không đo trực tiếp đươc.

a.THỂ TÍCH RIÊNG VÀ KHỐI LƯỢNG RIÊNG

• Thể tích riêng (v) – là thể tích của một đơn vị khối lượng

[m 3 /kg]

• Khối lượng riêng (ρ) - Khối lượng riêng - còn gọi là mật

độ - của một chất là khối lượng ứng với một đơn vị thể

tích của chất đó : ρ = G/V , [kg/m 3 ]

b Áp suất:

Áp suất của lưu chất (p) - lực tác dụng của các phân tử

theo phương pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành

3) at (Technical Atmosphere) ; 7) psi (Pound per Square Inch) 4) atm (Physical Atmosphere) ; 8) psf (Pound per Square Foot)

1 at vật lý: 1atm = 760mmHg = 1,013 bar; 1 Torr = 1mmHg

- Theo hệ Anh-Mỹ:

PSI (Pound per Square Inche): 100 PSI = 7kg/cm2 ; inHg,

• Phân loại áp suất

1) Áp suất khí quyển (p kq ) - áp suất của không khí tác

dụng lên bề mặt các vật trên trái đất

2) Áp suất dư (p d ) - áp suất của lưu chất so với môi

trường xung quanh

pd= p - pkq

3) Áp suất tuyệt đối (p) - áp suất của lưu chất so với

chân không tuyệt đối

ptđ= pd+ pkq

4) Độ chân không (p ck ) - phần áp suất nhỏ hơn áp suất

khí quyển

Pcktđ= pkq- pck

4 Nhiệt độ:

Khái niệm

Nhiệt độ (T) - số đo trạng thái(nóng, lạnh) của vật Theo

thuyết động học phân tử, nhiệt độ là số đo động năng

trung bình của các phân tử

• Thang nhiệt độ

- Nhiệt độ bách phân: Celsius (0 C)

- Thang nhiệt độ Fahrenheit, đơn vị: (0 F)

- Thang nhiệt độ Kelvin: ký hiệu T đơn vị: ( 0 K)

- Thang nhiệt độ Rankine ( 0 R)

1.3.4 NỘI NĂNG

Nội năng ký hiệu là U(J), hay u(j/kg)

- gọi tắt là nội năng - là năng lượng do chuyển động của các phân tử bên trong vật và lực tương tác giữa chúng

-Nội năng gồm 2 thành phần : nội động năng (u d ) và nội thế năng (u p ) Nội động năng liên quan đến chuyển động của các phân tử nên nó phụ thuộc vào nhiệt độ

các phân tử nên nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử Như vậy, nội năng là một hàm của nhiệt

PHƯƠNG TRÌNH ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

1 NHIỆT DUNG RIÊNG VÀ CÁCH TÍNH NHIỆT

- Nhiệt NDR của môi chất là lượng nhiệt cần để tăng nhiệt

độ của một đơn vị đo lường vật chất lên 1độ trong một quá trình nào đó.

- NDR ký hiệu C

Vtc thểtích riêng của môi chất ở ĐKTC

Với khí lý tưởng thì NDR đẳng áp và đẳng tích như sau:

Với khí lý tưởng thì ta có biểu thức sau:

Tính nhiệt theo nhiệt dung riêng Q, kJ

-Nếu quá trình đẳng áp: Q = G.C p (t 2 - t 1 )

-Nếu quá trình đẳng tích: Q = G.Cv(t2- t1)

-Nếu quá trình đa biến: Q = G.Cn(t2- t1)

Trong đó: Cp: nhiệt dung khối lượng đẳng áp, kJ/kg 0 K

II.1 NHIỆT VÀ CÔNG

CHƯƠNG II ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT

II.1.1 Phương pháp xác định nhiệt

 Hình thái thể hiện công khi có sự chuyển

dịch

 Hình thái thể hiện nhiệt khi có sự chênh

lệch nhiệt độ

a Xác định nhiệt theo nhiệt dung riêng

b Xác định nhiệt theo biến thiên entropi

 Khái niệm nhiệt dung riêng

odq

dt



Nhiệt dung riêng của chất khí là nhiệt

lượng cần thiết cung cấp cho một đơn vị

chất khí để nhiệt độ của nó tăng lên một độ

theo một quá trình nào đó.

a Xác định nhiệt theo nhiệt dung riêng

 Sự phụ thuộc của NDR vào nhiệt độ

C = ao+ a1.t

C = ao+ a1.t + a2.t2

C = ao+ a1.t + a2.t2+a3t3 +…+ antn

a0, a1,…an– các hệ số

Với khí lý tưởng C = const

BẢNG NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

[kJ/kmol.K]

C p [kJ/kmol.K]

Khí 1 nguyên tử Khí 2 nguyên tử Khí 3 hoặc nhiều nguyên tử

1,67 1,40

1, 30

12,6 20,9

29, 3

20,9 29,3 37,7

 Xác định nhiệt lượng

dq = C.dt

2 12 1

a

C = a + a'.t;a' =

2

b Xác định nhiệt theo biến thiên entropi

Nếu T=const thì q12=T(s2-s1)

Nếu T=f(s) thì

2 12 1

Với quá trình kín ( trạng thái 1 trùng với

trạng thái 2) công lưu động bằng không

a Công lưu động: l lđ (J/kg); L lđ =G.l lđ (J)

Công lưu động là công do bản thân môi

chất sản sinh ra để mang nó đi:

b Công thay đổi thể tích:l gn (J/kg);L gn (J)

đlgn=p.F.dx=p.dv

2 1

c Công kỹ thuật: l kt (J/kg); L kt =G.l kt (J)

đlkt= đlgn- dllđ= p.dv - d(pv)

= pdv - pdv – vdp = -vdp

2 1

lgn<0 - môi chất nhận công

II.2.1 Ý nghĩa

- Mối tương quan giữa nhiệt năng và các

dạng năng lượng khác

- Tính bảo toàn của năng lượng

II.2.2 Nội dung

Cấp cho môi chất một lượng nhiệt đq, làm

cho nội năng biến thiên một lượng du, khi

II.3.1 Khái niệm quá trình nhiệt động

Quá trình nhiệt động là quá trình biến đổiliên tục của các thông số trạng thái từ trạngthái cân bằng này sang một trạng thái cânbằng khác

 Một số giả thiết:

- Các quá trình đều là thuận nghịch và trạng thái là trạng thái cân bằng

- Môi chất phải là KLT và xét cho 1 (kg)

II.3 QT NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ LT

- Bước 1: Khái niệm quá trình

- Bước 2: Quan hệ giữa các thông số

- Bước 3: Biểu diễn trên đồ thị p-v và T-s

- Bước 4: Xác định q, lgn, lkt, u, i, s

 Các bước nghiên cứu một quá trình:

 Khái niệm quá trình đa biến: Quá trình

đa biến là một quá trình tổng quát của khí

lý tưởng, trạng thái thay đổi theo một quyluật bất kỳ đq = Cn.dt

II.3.2 Quá trình đa biến

 Biểu thức tổng quátBiểu thức của định luật nhiệt động 1:

đq = Cv.dT + p.dv

đq = Cp.dT - v.dp

n= const - số mũ đa biến;

Ứng với mỗi giá trị của n ta có một quá

trình nhiệt động cụ thể và tìm được biểu

thức nhiệt dung riêng của quá trình đó

 Khái niệm: p=const; n=0; Cn=Cp

 Quan hệ giữa các thông số:

p1=p2

12

s1 s2

u = Cv T = Cv(T2- T1) = Cv(t2- t1) 2

II.3.4 Quá trình đẳng tích

 Quan hệ giữa các thông số:

12

 Xác định nhiệt và công, i, u

II.3.5 Quá trình đẳng nhiệt

 Quan hệ giữa các thông số:

II.3.6 Quá trình đoạn nhiệt

2TT

2s

 Xác định nhiệt và công, i, u

ds  v

1

2 v

T

T ln C

s 



v = const: đq =CTvdT

dT C

ds  p

1

2 p T

T ln C

II.4 QUÁ TRÌNH CỦA KHÍ THỰC

II.4.1 Quá trình hóa hơi đẳng áp

ao

v v’’

v’

1 2 3 4 p

II.4.2 Một số khái niệm

a Hiện tượng bay hơi

b Hiện tượng sôi

t=tsôi=ts(p); p=psôi=ps(t)

c Nhiệt ẩn hóa hơi: r(J/kg)

Nhiệt ẩn hóa hơi là nhiệt lượng cần thiết để biên 1(kg) nước sôi hóa hơi hoàn toàn

e Hơi quá nhiệt: t>t s

d Hơi bão hòa

Hơi bão hòa khô: không chứa nước sôi

 Hơi bão hòa ẩm: có chứa nước sôi

x=Lượng hơi bão hòa khô/Lượng hơi bão hòa ẩm

x=0 đường nước sôi đường giới hạn dưới

x=1 đường hơi bão hòa khô đường giới hạn trên

0<x<1 hơi bão hòa ẩm

II.4.3 Bảng và đồ thị của hơi nước

a Bảng số

 Bảng nước và hơi nước bão hòa

 Theo p: ts, i’, i’’, s’, s’’…

 Theo t: ps, i’, i’’, s’, s’’…

 Trạng thái hơi bão hòa ẩm:

 Đồ thị i-s II.4.4 QT nhiệt động của khí thực

 Các bước tính toán một quá trình

 Xác định biến thiên nội năng u

II.5.1 Khái niệm và phân loại

a Khái niệm không khí ẩm

KK ẩm =KK khô (O2, N2…) + H2O (hơi)

b Phân loại

KK ẩm chưa bão hòa: Gh<Ghmax; ph<ps

 KK ẩm bão hòa: Gh=Ghmax; ph=ps

 KK ẩm quá bão hòa: Gh>Ghmax; ph=ps

II.5 CÁC QUÁ TRÌNH CỦA KK ẨM

II.5.2 Các TS cơ bản của KK ẩm

a Áp suất:

p = ph+ pkV=Vh=VkT=Th=Tk



 Độ ẩm tương đối: φ h h

ρ ρ



Q=Gk.i=Gk(i2- i1) Xét với 1 kg KK khô thì lấy được (d3-d1)

 Trong kỹ thuật hỗn hợp đẳng áp:

d

1 0 2

III.1 Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG ĐỊNH LUẬT

NHIỆT ĐỘNG 2 III.1.1 Ý nghĩa

III.1.2 Nội dung

-Nhiệt chỉ truyền từ nơi có T cao đến nơi có T thấp, muốn tiến hành ngược lại ta phải tốn công.

- Không thể biến hoàn toàn nhiệt thành công

- Chiều hướng, điều kiện chuyển hóa năng lượng

- Hiệu quả chuyển hóa năng lượng

III.2 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG

III.2.1 Khái niệm

III.2 2 Phân loại

a Chu trình thuận chiều

- Khái niệm:

l o >0 q1> 0 - tổng nhiệt lượng cấp cho môi chất

q2< 0 - tổng nhiệt lượng thải ra

lo> 0 - tổng công sinh ra của chu trình

- Hiệu suất nhiệt

b Chu trình ngược chiều

q2> 0 - tổng lượng nhiệt nhận vào

q1< 0 - tổng nhiệt lượng thải ra

lo< 0 – tổng công nhận vào của chu trình

III.3 CHU TRÌNH CARNOT

III.3.1 Chu trình Carnot thuận chiều

a Giới thiệu chu trình

2

1 3

1

q 1 q

III.3.2 Chu trình Carnot ngược chiều

a Giới thiệu chu trình

4

l o <0

T

s 1

2 3

4

T H

T L

CHƯƠNG IV

CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MỘT

SỐ THIẾT BỊ NHIỆT

A Chu trình ngược chiều

IV.3 Chu trình của khí lý tưởng

IV.4 Chu trình của khí thực

IV.3 CHU TRÌNH THIẾT BỊ LÀM LẠNH

2

1- Máy nén 2- Dàn làm mát 3- Xylanh giãn nở 4- Buồng lạnh

T - T

IV.4 CHU TRÌNH THIẾT BỊ LÀM LẠNH

DÙNG HƠI

1 Môi chất lạnh

Môi chất lạnh là môi chất được dùng trong chu trình

ngược chiều, nó làm nhiệm vụ nhận nhiệt từ nơi có

nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao Môi chất duy trì

được trong chu trình là nhờ máy nén.

2 Năng suất lạnh

Năng suất lạnh là lượng nhiệt mà 1(kg) môi chất lạnh

nhận được trong buồng lạnh trên một đơn vị thời gian.

MN

DL TL

DN

DL: Dàn lạnh MN: Máy nén DN: Dàn nóng TL: Van tiết lưu.

3 Sơ đồ nguyên lý thiết bị

4 Giới thiệu chu trình

1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt

2-3: Quá trình thải nhiệt đẳng áp

3-4: Quá trình tiết lưu i3= i4

4 -1: Quá trình nhận nhiệt hoá hơi đẳng áp

23

i - iq

l i - i

l = q - q = i - i

V.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

V.1.1 Khái niệm dẫn nhiệt

 Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các

vật có nhiệt độ khác nhau khi tiếp xúc với nhau

hoặc giữa các phần trên cùng một vật.

 Đặc điểm của dẫn nhiệt:

+ Phải có sự chênh lệch nhiệt độ

+ Giữa các vật phải có sự tiếp xúc

CHƯƠNG V DẪN NHIỆT

V.1.6 Định luật Fourier về dẫn nhiệt

Gradt

q 

t =0(1+ βt)

ondn

dtλ

V.2 DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH KHI KHÔNG

CÓ NGUỒN NHIỆT BÊN TRONG

V.2.1 Bài toán dẫn nhiệt qua vách phẳng

V.2.2 Bài toán dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ

w1 w 2 2 1

1

r 1

VI.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM

VI.2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ

SỐ TỎA NHIỆT α

VI.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM

VI.1.1 Quá trình đối lưu

Quá trình đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt

giữa các khối chất khí hoặc chất lỏng với

nhau Quá trình luôn gắn liền với sự dịch

chuyển của khối chất lỏng, chất khí từ vùng

có nhiệt độ này đến vùng khác

VI.1.2 Tỏa nhiệt đối lưu

VI.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng

Toả nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệtgiữa bề mặt vật rắn với dòng chất lỏng hoặcchất khí chuyển động trên bề mặt đó

+ Nguyên nhân gây ra chuyển động

+ Chế độ chuyển động

+ Bản chất vật lý của chất lỏng, chất khí

+ Hình dáng, kích thước và vị trí của bề mặt trao đổi nhiệt

VI.1.4 Công thức Newton-Rickmman

Xác định lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt

vật rắn với chất lỏng hoặc chất khí qua

1(m2) diện tích bề mặt trao đổi nhiệt trong

một đơn vị thời gian

VI.2.1.1 Hệ phương trình vi phân tỏa nhiệt gồm 4 phương trình:

- Phương trình năng lượng:

g gradp d

VI.2.1.2 Điều kiện đơn trị

- Điều kiện thời gian: Đặc trưng cho đặc tính của quá trình (ổn định hay không ổn định)

- Điều kiện hình học: Cho biết hình dáng, kích thước, vị trí bề mặt

- Điều kiện vật lý: Tính chất của môi trường chất lỏng, chất khí, nhiệt độ, các thông số vật lý

, C…

- Điều kiện biên: Cho biết đặc tính của quá trình trao đổi nhiệt xảy ra trên bề mặt vật thể (đây chính là điều kiện biên loại ba).

VI.2.2 Phương pháp thực nghiệm

 Cơ sở của phương pháp:

Nếu hai hiện tượng vật lý đồng dạng với

nhau thì kết quả nhận được khi nghiên cứu

hiện tượng này có thể áp dụng cho hiện

tượng kia và ngược lại Như vậy, kết quả

nhận được từ mô hình có thể áp dụng cho

mọi hiện tượng thực tế đồng dạng với mô

hình đó

 Định lý đồng dạng

Hai hiện tượng vật lý đồng dạng vớinhau nếu chúng có cùng bản chất vật lý,cùng được mô tả bằng phương trình hoặc

hệ phương trình vi phân giống nhau, điềukiện đơn trị như nhau và các tiêu chuẩnđồng dạng cùng tên có trị số bằng nhautừng đôi một

 Tiêu chuẩn đồng dạng:

Tiêu chuẩn đồng dạng là một tổ hợp không

thứ nguyên do một số đại lượng vật lý đặc

trưng cho hiện tượng đó tạo nên

 Tiêu chuẩn Nusselt: Nul

 Tiêu chuẩn Prandtl: Pr

C (J/kgK)- Nhiệt dung riêng

ρ (kg/m3)- Khối lượng riêng

Trong một bài toán tỏa nhiệt các tiêu chuẩn đồng dạng có mối quan hệ hoàn toàn xác định Biểu thức mô tả mối quan hệ này được gọi là tiêu chuẩn đồng dạng Trong các tiêu chuẩn đồng dạng trên Nu chứa đại lượng cần xác định

là  nên được gọi là tiêu chuẩn cần xác định, các tiêu chuẩn còn lại gọi là tiêu chuẩn xác định.

Dạng tổng quát của phương trình tiêu chuẩn:

 Tính toán các tiêu chuẩn Re, Gr, Pr

Chọn phương trình tiêu chuẩn ứng với

TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ

VII.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

VII.1.1 Trao đổi nhiệt bức xạ

Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình trao đổi

nhiệt giữa các vật có nhiệt độ khác nhau,

được thực hiện bằng năng lượng dao động

- Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ nhiệt luôngắn liền với sự chuyển hóa năng lượng từdạng này sang dạng khác

D = 1 (khí lý tưởng) Các chất rắn và chất lỏng

có thể coi D = 0 gọi là vật đục A + R = 1 (vật hấp thụ tốt thì phản xạ kém và ngược lại).

VII.1.3 Năng suất bức xạ toàn phần:E (w/m 2 )

Năng lượng bức xạ phát đi từ một đơn vị

diện tích bề mặt vật trong một đơn vị thời

gian của tất cả các tia ( = 0  );

VII.1.4 Năng suất bức xạ đơn sắc: E(w/m 3 )

Năng suất bức xạ toàn phần ứng với một khoảng hẹp của chiều dài bước sóng

VII.1.5 Năng suất bức xạ hiệu dụng: E hd (w/m 2 )

Giả sử ta có một vật đục với nhiệt độ T, hệ

số hấp thụ A:

A T

Năng suất bức xạ hiệu dụng là tổng năng

suất bức xạ riêng của vật và năng suất bức

xạ phản xạ từ các tia bức xạ tới

VII.1.6 Bức xạ hiệu quả q (W/m 2 )

Năng lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ củamột đơn vị diện tích giữa hai vật trong một

Xét vật 1 thì vật 2 coi là môi trường

- Nếu vật có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ môi

Lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa hai

vật bằng hiệu bức xạ hiệu dụng của hai bề

công thức của định luật Wien:

sang vật đen bị vật đen hấp thụ hoàn toàn

Vật xám bức xạ E sang vật đen, được vật đen hấp thụ hoàn toàn

Khi cân bằng hai vật có nhiệt độ bằng nhau,

Như vậy, các vật thể khác nhau nhưng có

nhiệt độ như nhau thì tỷ số giữa năng suất

  

ε – Đặc trưng cho khả năng bức xạ của vật

A – Đặc trưng cho khả năng hấp thụ

Như vậy: Vật có khả năng bức xạ lớn thì cũng có khả năng hấp thụ lớn

VII.3 CÁC BÀI TOÁN TRAO ĐỔI

NHIỆT BỨC XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG