Đề cương bài giảng kỹ thuật nhiệt (hệ cao đẳng)

tr-ờng Đại học s- phạm kỹ thuật h-ng yên khoa khí động lực Bài giảng dùng chung Kỹ THUậT Nhiệt (Dùng cho hệ cao đẳng) áp dụng cho Ch-ơng trình tín Biên soạn: PHạm Hữu H-ng, Đặng thị bình Bộ môn: công nghệ điện LạNH & ĐHKK H-ng yên, 2015 Bi ging K thut Nhit LI NểI U K THUT NHIT l mụn hc nghiờn cu nhng quy lut bin i nng lng (ch yu l quy lut bin i gia nhit nng v c nng) v quy lut truyn nhit nng cỏc vt núi chung hoc thit b nhit núi riờng Nhit nng l mt dng nng lng, nú cú kh nng cựng cỏc dng nng lng khỏc chuyn húa ln v nú cng cú th truyn t ch ny n ch khỏc, t vt ny n vt khỏc Nhit nng cú th nhn c t cỏc phn ng húa hc, nht l phn ng chỏy ca cỏc nhiờn liu hu c nh ci, than, du, khớ t; cú th t phn ng phõn hy hoc tng hp ca cỏc ht nhõn, nguyờn tcú th t ngun nng lng bc x ca mt tri, t ngun a nhit lũng t Nhit nng thng c chuyn húa thnh c nng cỏc ng c nhit nh mỏy hi nc, ng c t trong, tua bin hi, tua bin khớ, ng c phn lc, tờn la Cỏc ng c nhit c dựng lm ng lc nhiu mỏy múc, thit b nhng cng c dựng nhiu chy mỏy phỏt, chuyn c nng thnh in nng cỏc nh mỏy nhit in, in nguyờn t, nh mỏy in mt tri hoc nh mỏy a nhit Nhit nng cũn c dựng rt ph bin vi mc ớch cp nhit phm vi nhit khỏc nhau, nhit cao cỏc ngnh luyn kim, nhit va v thp cụng ngh bo qun, ch bin nụng lõm, hi sn, iu hũa khụng khớ, nht l iu kin khớ hu núng m ca nc ta Ngoi thi gian gn õy bm nhit bt u c s dng v nú rt cú trin vng phỏt trin iu kin khớ hu nc ta Ngoi nhng mt cú li núi trờn, khụng ớt trng hp nhit nng cú hi, nú cú th nh hng n quỏ trỡnh cụng ngh, lm gim tui th, thm l phỏ hy thit b, nú cũn nh hng n sc khe, n kh nng lm vic ca ngi Do vy mun gii quyt cú hiu qu nhng trờn cn nm vng mụn K thut nhit Mụn k thut nhit c chia thnh hai phn: Phn Nhit ng k thut nghiờn cu cỏc quy lut v chuyn húa nng lng cú liờn quan n nhit nng Phn Truyn nhit nghiờn cu cỏc quy lut v truyn nhit nng mt vt hoc gia cỏc vt cú nhit khỏc GV Son: Th.S Phm Hu Hng Bi ging K thut Nhit PHN I: NHIT NG K THUT Nhit ng k thut l mụn hc nghiờn cu nhng quy lut bin i nng lng cú liờn quan n nhit nng cỏc quỏ trỡnh nhit ng, nhm tỡm nhng phng phỏp bin i cú li nht gia nhit nng v c nng Do vy mụn Nhit ng k thut phc v rng rói cho nhiu ngnh nn khoa hc k thut hin i; trc ht nú phc v c lc cho ngnh nng lng Hng nm bỡnh quõn u ngi trờn th gii tiờu th khong tn nhiờn liu quy c, ú 80% phi tri qua ớt nht mt ln di dng nhit nng, khong mt na nhin nng c chuyn húa thnh in nng d dng truyn ti v s dng vy mun s dng nng lng cú hiu qu khụng th khụng nng vng mụn Nhit ng k thut C s nhit ng ó c xõy dng t th k XIX, v lch s phỏt trin mụn Nhit ng k thut cú liờn quan mt thit n quỏ trỡnh phỏt trin ca cỏc thit b nhit Nhit ng k thut c xõy dng trờn c s ba nh lut: nh lut nhit ng th khụng, nh lut nhit ng I v nh lut nhit ng II nh lut nhit ng th khụng xỏc nhn nhit ca hai vt bng nhit ca vt th ba thỡ nhit ca hai vt ú bng nh lut nhit ng I thc cht l nh lut bo ton v chuyn húa nng lng vit cho s chuyn húa gia nhit v cụng v mt s lng nh lut nhit ng II xỏc nh iu kin v mc chuyn húa nhit nng thnh c nng v cỏc dng nng lng khỏc GV Son: Th.S Phm Hu Hng Bi ging K thut Nhit CHNG I: NHNG KHI NIM C BN 1.1 H thng nhit ng 1.1.1 Nhng khỏi nim c bn - N: H thng nhit ng (H nhit ng hay h) l mt hay hp cỏc vt th v mụ m ú cú s bin i v nng lng hoc c nng lng v lng Phn bờn ngoi ca h thỡ H thng nhit ng Biờn gii Mụi trng c gi l mụi trng H c gii hn v ngn cỏch vi mụi trng bng mt b mt gi l b mt phõn cỏch (biờn gii) Hỡnh 1.1 Chỳ ý: B mt phõn cỏch cú th thay i tựy theo mc ớch, yờu cu xem xột i tng kho sỏt - Phõn loi a) Theo s bin i v lng: H kớn v h h H kớn: cú tớnh cht c bn sau: - Cú trng tõm ca h khụng chuyn ng (chuyn ng v mụ) hay chuyn ng vi tc khụng ỏng k ng nng ca nú cú th b qua; - Khụng trao i lng vi mụi trng H h: - L h m mt hoc hai tớnh cht trờn õy khụng c tha Trong h h, trng tõm ca h chuyn ng vi mt tc no ú nờn cõn bng nng lng ca h h luụn cú ng nng b) Theo s bin i v nng lng: H cụ lp v cụ lp on nhit - H cụ lp: khụng trao i nng lng v lng vi mụi trng - H on nhit: Khụng trao i nhit vi mụi trng 1.1.2 Mụi cht - Mun thc hin vic chuyn húa gia nhit nng vi cỏc dng nng lng khỏc ta phi dựng cht trung gian gi l mụi cht (cht mụi gii/ cht cụng tỏc) - Theo lý thuyt mụi cht cú th l vt cht th rn, th lng, th khớ hoc hi nhng thng chn l th khớ hoc hi vỡ chỳng cú kh nng bin i cỏc c tớnh vt lý d dng trao i nng lng Chỳ ý: Khi kho sỏt c tớnh nhit ng ca h thng nhit ng chớnh l kho sỏt tớnh cht ca mụi cht Vy mụi cht cú th coi l h thng nhit ng 1.1.3 Trng thỏi ca h nhit ng - N: Trng thỏi ca h nhit ng l s tn ti ca h mt thi im nht nh Trng thỏi ca h c xỏc nh bi cỏc i lng vt lý ca h Cỏc i lng vt lý ú gi l thụng s trng thỏi GV Son: Th.S Phm Hu Hng Bi ging K thut Nhit Trng thỏi cõn bng l trng thỏi m cỏc i lng vt lý c trng cho h ng nht ti mi im ngha l gia cỏc vt th h cng nh gia h v mụi trng khụng cú tng tỏc Thc t khụng cú trng thỏi cõn bng nhiờn nu cỏc din bin xy h l rt chm thỡ cú th coi h trng thỏi cõn bng 1.1.4 Thụng s trng thỏi - N: Thụng s trng thỏi l nhng i lng vt lý xỏc nh s tn ti ca h nhit ng mi thi im - TSTT cú nhiu loi cú TSTT o c trc tip, cú TSTT khụng o c trc tip, cú loi cú ý ngha vt lý rừ rt, cú loi khụng cú ý ngha rừ rt, cú nhng TSTT c lp vi nhng cng cú nhng thụng s ph thuc ln v.v - Trong nhit k thut thng s dng thụng s cú th o c trc tip v gi ú l cỏc thụng s c bn gm nhit , ỏp sut v th tớch riờng Cỏc thụng s cũn li gi l hm trng thỏi vỡ chỳng khụng o c trc tip m phi thụng qua cỏc thụng s trng thỏi c bn xỏc nh hon ton trng thỏi mt h nhit ng th khớ, cn bit thụng s trng thỏi c bn l nhit , ỏp sut v th tớch riờng a) Nhit - Nhit l mt thụng s trng thỏi biu th mc núng lnh ca vt - Theo thuyt ng hc phõn t nhit l i lng vt lý c trng cho mc chuyn ng hn lon ca cỏc phõn t cu to nờn h Nhit cú th trc tip o c da trờn c s nh lut nhit ng th khụng: Nu hai vt (h) cú nhit t1 v t2 cựng bng nhit t3 ca vt (h) th ba thỡ nhit ca hai vt ú bng nhau, tc l t1 = t2 o nhit ngi ta s dng dng c o v go l nhit k Cú nhiu loi nhit k vi cỏc thang o khỏc nhng ta thng gp mt s thang o nh sau: Thang nhit bỏch phõn t , 0C Thang nhit tuyt i hay nhit Kelvin T, K T = t + 273,15 (1) Thang nhit Farenheit 0F t 0C t F 32 (2) t R 273,15 (3) Thang nhit Rankin 0R t 0C Trong thang nhit bỏch phõn oC ng vi nhit tan ca nc ỏ nguyờn cht di ỏp sut tiờu chun 760 mmHg v 100 oC ng vi nhit sụi ca nc nguyờn cht cng ỏp sut tiờu chun T 0oC ti 100oC ngi ta chia lm 100 phn bng v mi phn ng vi 1oC GV Son: Th.S Phm Hu Hng Bi ging K thut Nhit Chỳ ý rng giỏ tr mt thang nhit tuyt i v nhit bỏch phõn l nh ( T t v dT = dt) Theo thuyt ng hc phõn t, nhit tuyt i t l thun vi ng nng ca cỏc phõn t Vy nhit thp nht ca vt cht l nhit ng vi trng thỏi vt cht m ú phõn t ngng chuyn ng, nhit thp nht ny gi l nhit khụng tuyt i 0K b) p sut - p sut l tng hp lc ca cỏc phõn t mụi cht tỏc dng theo phng vuụng gúc lờn mt n v din tớch b mt tip xỳc - n v o ỏp sut thng dựng l: N/m2 hay cũn gi l Pascal (Pa), bar, mmHg (torr); mmH2O; atm (1atm = 760mmHg); at (1at = 0,981bar); poundal/feet (psf) (lbf/ft2 = 47,88Pa); kG/cm2 (1at = 1kG/cm2); psi (lpf/in2) (1psi = 144 psf) Quan h gia cỏc n v: 1Pa 1N / m2 1 mmH 2O mmHg 105 bar= 105 at 9,81 133,32 0,981 (4) Trong thc t thng gp cỏc khỏi nim: ỏp sut tuyt i, ỏp sut d, chõn khụng - p sut tuyt i (p) l thụng s trng thỏi chớnh l ỏp sut tht ca cht khớ, cú th trc tip o c vớ d nh ỏp sut tuyt i ca khớ tri (pk) c o bng baromet Tuy nhiờn thng hay o giỏn tip qua ỏp sut khớ tri v phn sai khỏc gia ỏp sut khớ tri v ỏp sut tuyt i - p sut d (pd) l phn ỏp sut tuyt i ln hn ỏp sut khớ tri - chõn khụng (pck) l phn ỏp sut khớ tri ln hn ỏp sut tuyt i - Quan h gia cỏc loi ỏp sut: Ký hiu: p, pk, pd, pck- ỏp sut tuyt i, ỏp sut khớ tri, ỏp sut d v chõn khụng Khi p > pk p = pk+pd (5) Khi p < pk p = pk- pck (6) Dng c o ỏp sut d gi l ỏp k hay manomet Dng c o chõn khụng gi l chõn khụng k hay vacuummet c) Th tớch riờng - Th tớch riờng (v) l mt ba thụng s c bn c nh ngha l th tớch ca mt n v lng v Trong ú: V G (7) V- Th tớch mụi cht, m3 G- Khi lng mụi cht, kg v- th tớch riờng, m3/kg - Khi lng riờng hay mt ( , kg/m3) l lng ca mt n v th tớch GV Son: Th.S Phm Hu Hng Bi ging K thut Nhit v (8) 1.1.5 Phng trỡnh trng thỏi a) Dng tng quỏt Gia cỏc thụng s trng thỏi ca mt h nhit ng luụn tn ti mi quan h nh lng V biu thc mụ t mi quan h gia cỏc thụng s trng thỏi ca h trng thỏi cõn bng gi l phng trỡnh trng thỏi i vi h khớ thỡ phng trỡnh trng thỏi cú dng tng quỏt: F (p, v, T) = (9) T p0 v0 M p0 T0 v p Hỡnh 1.2 (9) l phng trỡnh mụ t mt khụng gian h ta OpvT v gi ú l mt nhit ng Mt im M thuc mt nhit ng biu din mt trng thỏi cõn bng xỏc nh ca h vi cỏc thụng s trng thỏi cú giỏ tr l p0, T0, v0 b) Phng trỡnh trng thỏi khớ lý tng c im ca khớ lý tng: - Khớ lý tng l khớ b qua th tớch bn thõn phõn t, gia chỳng khụng cú lc tng tỏc v khụng cú s bin i pha (ngha l khớ lý tng khụng cú pha lng hoc pha rn) Phng trỡnh trng thỏi - Xột mt khớ lý tng lng G kg, nhit tuyt i T K, ỏp sut tuyt i p N/m2, th tớch V ,m3 Phng trỡnh trng thỏi ca khớ ú c vit nh sau: pV = GRT (10) õy: R (J/kgK) l hng s khớ lý tng c xỏc nh theo cụng thc: R 8314 (11) l phõn t lng ca cht khớ VD: i vi khụng khớ, = 28,9 nờn R 287 J/kgK i vi khớ O2, = 32 nờn R 260 J/kgK - Nu vit cho l kg khớ lý tng, ta cú phng trỡnh: GV Son: Th.S Phm Hu Hng Bi ging K thut Nhit pv = RT (12) õy v l th tớch riờng (m3/kg) - Vit cho 1Kmol: p.V = R.T õy: (13) p, N/m2 - ỏp sut tuyt i V, m3/Kmol - th tớch ca Kmol T , K - nhit tuyt i R , J/Kmol - hng s khớ , R = 8314 Phng trỡnh (10), (12), (13) c gi l phng trỡnh Clapeyron Mc dự thc t khụng tn ti khớ lý tng, nhng iu kin nhit khụng quỏ thp, ỏp sut khụng quỏ cao, ta cú th coi mt cỏch gn ỳng cỏc cht khớ thụng thng (khụng khớ, ụxy, nit ) l khớ lý tng v ỏp dng phng trỡnh Clapeyron kho sỏt trng thỏi ca chỳng c) Phng trỡnh trng thỏi ca khớ thc Khớ thc l khớ m cú th tớch phõn t, cú lc tng tỏc gia chỳng v cú s bin i pha mụ t chớnh xỏc trng thỏi ca khớ thc, ngi ta ó a rt nhiu phng trỡnh khỏc nhau, phn ln c thit lp bng phng phỏp thc nghim Mt nhng phng trỡnh trng thỏi ca khớ thc thng c cp n l phng trỡnh Van der Waals: (p a )(v b) R.T v2 (14) ú : a, b l cỏc h s c xỏc nh bng thc nghim a - s hiu chnh k n tng tỏc gia cỏc phõn t ca cht khớ thc; v2 b - s hiu chnh k n kớch thc riờng ca phõn t khớ thc GV Son: Th.S Phm Hu Hng Bi ging K thut Nhit 1.2 Nng lng ca h nhit ng Ta bit rng vt cht luụn luụn ng v nng lng ca mt h l i lng xỏc nh mc ng ca vt cht h ú mi trng thỏi, h cú cỏc dng ng xỏc nh v ú cú mt nng lng xỏc nh Khi trng thỏi ca h thay i thỡ nng lng ca h cú th thay i v thc nghim xỏc nhn rng: bin thiờn nng lng ca h mt quỏ trỡnh bin i ch ph thuc vo trng thỏi u v trng thỏi cui m khụng ph thuc vo quỏ trỡnh bin i Nh vy nng lng ch ph thuc vo trng thỏi ca h, suy nng lng l mt hm trng thỏi Mt vt th thỡ cú th cú nhiu dng nng lng nhng h nhit ng ta ch quan tõm ti cỏc dng nng lng sau: 1.2.1 Nng lng ton phn ca h nhit ng Khi ký hiu nng lng ton phn ca h nhit ng W, J v w = W/G, J/kg ta cú biu thc sau: W U D Wd Wt w ud gh (1) (2) 1.2.2 Ngoi ng nng L nng lng h chuyn ng to thnh v c tớnh bng: Wd G 2 ;J (3) õy: G, kg lng ca vt; , m/s Vn tc ca vt - Ngoi ng nng ch cú h h 1.2.3 Ngoi th nng L nng lng h t trng lc no ú to thnh: trng hp dn, trng in t Nu ch cú trng trng : Wt G.g.h ;J (4) õy: h, m cao ca vt so vi mt t; g, m/s2 Gia tc trng trng - Trong nhit ng giỏ tr ca i lng ngoi th nng v bin i ngoi th nng thng nh so vi cỏc dng nng lng khỏc nờn thng b qua 1.2.4 Ni nng N: Ni nng l nng lng ca cỏc phn t vi mụ to nờn h (nh phõn t, nguyờn t) Ni nng gm ni ng nng U v ni th nng Ut Ni ng nng U l nng lng chuyn GV Son: Th.S Phm Hu Hng Bi ging K thut Nhit ng ca cỏc phõn t sinh ra: chuyn ng quay, dao ng vỡ th hon ton ph thuc vo nhit Ni th nng Ut c sinh tng tỏc gia cỏc phõn t vỡ vy ph thuc v trớ v khong cỏch trung bỡnh gia cỏc phõn t, cú ngha l ph thuc vo ỏp sut v th tớch ca h nhit ng Do ú: U = U + Ut = f (T, v) ,J (5) mt trng thỏi xỏc nh, ni nng U ca h cú mt giỏ tr xỏc a nh v nht Khi thay i trng thỏi mi, ni nng ca h cú giỏ tr xỏc nh mi Giỏ tr mi ny cng l nht, bi vy thay i ni nng ca h ch ph thuc vo trng thỏi u v cui b Hỡnh 1.3 quỏ trỡnh ch khụng ph thuc vo quỏ trỡnh Bin thiờn ni nng gia trng thỏi v 2: U1a2 U1b2 U2 U1 (6) Vy ni nng l mt hm trng thỏi, bin thiờn ni nng khụng ph thuc vo quỏ trỡnh Do ú vi phõn ca U l vi phõn ton phn, tc l: U U U f T, v dU dT dv T v v T (7) Vi khớ lý tng khụng cú tng tỏc gia cỏc phõn t nờn ni nng ch l hm ca nhit : U f T Nờn: U (8) dU T f T T v Trong tớnh toỏn thng ch quan tõm ti bin thiờn ni nng U , nờn cú th chn mt trng thỏi thun tin no ú lm gc; thng chn mt im gc m ti ú ni nng bng khụng Vớ d o i vi nc bóo hũa ngi ta ly ni nng im ba th cú t 0,01 C ; p 0, 0062at bng 1.2.5 Nng lng y Mt dũng mụi cht (khớ hoc lng) chuyn ng cú th cú cỏc nng lng sau: ng nng, th nng v nng lng y giỳp dũng mụi cht chuyn ng Biu thc ca nng lng y cú dng: D = pV (9) Vỡ p v v l cỏc thụng s trng thỏi nờn nng lng y d = pv cng l mt thụng s trng thỏi Nng lng y ch cú h h H kớn trng tõm ca h khụng chuyn ng nờn d = 1.2.6 Entanpi I Trong tớnh toỏn v phõn tớch v nhit, thng gp biu thc U pV , n gin ngi ta t l I v gi l entanpi Biu thc Entanpi vit cho G kg: GV Son: Th.S Phm Hu Hng Bi ging K thut Nhit - T s gia kh nng bc x v kh nng hp th ca mi vt xỏm nhit nh thỡ luụn bng v bng kh nng bc x ca vt en tuyt i cựng nhit ú - Chng minh: Xột trao i nhit gia hai tm phng song song qua mụi trng sut, cú khong cỏch nh hn nhiu b rng tm Hỡnh Tm th nht l vt en tuyt i cú nhit T0, h s hp th A0 = 1, nng sut bc x E0 Tm th hai l vt xỏm cú nhit T, nng sut bc x E, h s hp th A < (hỡnh 9.3) Vt en bc x E0 sang vt xỏm b vt xỏm hp th A.E0, phn cũn li (1-A)E0 phn x sang vt en c vt en hp th hon ton Vt xỏm bc x E sang vt en hp th hon ton Khi cõn bng hai vt cú nhit bng nhau, trờn mi vt nng lng bc x bng nng lng hp th c Vt xỏm bc x E, hp th A.E0 tc l: E = A.E0 T ú: E T E C0 A 100 (14) Suy rng cho cỏc vt xỏm khỏc cựng nhit cng s c: E1 E E3 E f T A1 A A3 Vy: T s gia kh nng bc x v kh nng hp th ca mi vt xỏm nhit nh thỡ luụn bng v bng kh nng bc x ca vt en tuyt i cựng nhit ú - H qu: +) T s E/A khụng ph thuc vo bn cht vt th, m ch ph thuc vo nhit mt nhit khụng i E/A l mt i lng khụng i, tc l E v A t l thun: vt cú kh nng bc x ln thỡ h s hp th cng ln +) T trờn suy A = E/E0, mt khỏc cng cú en ca vt xỏm: = E/E0, Vy: =A (15) 6.3 Trao i nhit bc x gia hai tm phng song song Trong khuụn kh ca chng trỡnh chỳng ta ch xem xột bi toỏn TNBX n nh gia hai vt t mụi trng sut GV Son: Th.S Phm Hu Hng 101 Bi ging K thut Nhit Hai tm phng rng vụ hn, t song song khụng cú mn chn gia a) Bi toỏn: - Xột trao i nhit gia hai tm phng song song rng vụ hn qua mụi trng sut (nh chõn khụng) Gi s c hai tm u cú h s xuyờn qua bng v bng khụng (D1 = D2 = 0) - Tm th nht cú nhit T1 = const, nng sut bc x riờng (nng sut bc x bn thõn) E1, h s hp th A1 - Tm th hai cú nhit T2 = const (T1 > T2), nng sut bc x riờng (nng sut bc x bn thõn) E2 v Hỡnh Trao i nhit bc x s hp th A2 gia hai tm phng song song b) Yờu cu: xỏc nh lng nhit trao i gia hai h tm - NX: Vỡ hai tm rng vụ hn v t mụi trng sut nờn ton b nhit lng bc x tm phỏt u chiu n tm ngc li Khi ú, s nng lng c biu din nh hỡnh bờn, v nng sut bc x hiu dng ca tm ny l nng sut bc x ti ca tm v ngc li - Gi nng sut bc x hiu dng ca tm l E hd1, nng sut bc x hiu dng ca tm l Ehd2 thỡ theo (6) ta cú: Ehd1 E1 A1 E hd2 Ehd2 E2 A2 E hd1 Gii h phng trỡnh trờn vi hai n s l E hd1 v Ehd2 ta c: E hd1 E1 E A1E A1 A A1A E hd2 E1 E A E1 A1 A A1A Theo gi thit nhit T1 > T2 nờn nhit lng cui cựng ó truyn t tm mt sang tm hai q12 (W/m2) V nhit lng ny bng: A E1 A1E q12 E hd1 E hd2 A1 A A1A 4 T1 T2 T Thay cỏc giỏ tr tng ng A = v E C0 , E1 1.C0 v E C0 vo 100 100 100 ta s c: T1 T2 q12 C 1 100 100 1 GV Son: Th.S Phm Hu Hng 102 , W/m2 (16) Bi ging K thut Nhit t td ; t gi l en tng ng ( en quy dn) ca h thỡ: 1 1 T1 T2 q12 td C0 100 100 , W/m2 (17) 2.Bc x gia hai tm phng song song cú mn chn gia gim nng lng bc x gia hai tm phng ngi ta cú th t gia hai tm mt hoc nhiu mn chn VD: lm trn gi Xột trao i nhit gia hai tm phng song song qua mụi trng sut, gia chỳng cú mt mn chn mng M Tm th nht cú nhit T 1, en Tm th hai cú nhit T2, en Mn chn cú en M Hỡnh Tỏch h thng trờn thnh hai h thng H thng gm tm th nht v mn M, h thng thnh mn M v tm th hai p dng (16) vit c dũng nhit bc x t tm ti mn M: q1M T T C M 1 100 100 M (a) Dũng nhit bc x t mn chn ti tm th hai l: q M2 T T C M 1 100 100 M (b) Khi quỏ trỡnh TN l n nh thỡ q1M = qM2 = q1M2 p dng tớnh cht t l thc ta c: q1M2 T T C 1 100 100 M (18) Chng minh tng t i vi trng hp t n mn chn cú en nh nhau, ta cú: q1M2 T T C0 , W/m2 1 100 100 n n (19) So sỏnh (19) vi (16), ta thy trng hp cú t mn chn lng nhit trao i bng bc x s gim GV Son: Th.S Phm Hu Hng 103 Bi ging K thut Nhit Vi gi thit = = M, ta cú: q12M q12 n Nh vy lng nhit trao i gia hai tm phng v t n mn chn nh hn (n + 1) ln lng nhit khụng t mn chn GV Son: Th.S Phm Hu Hng 104 Bi ging K thut Nhit CHNG VII: TRUYN NHIT V THIT B TRAO I NHIT 7.1 Tng cng v hn ch truyn nhit Trong cuc sng hng ngy cng nh k thut cú lỳc chỳng ta cn tng cng nhng cng cú lỳc cn hn ch truyn nhit Vớ d v hố cn mc o mng v dựng qut tng cng truyn nhit t c th mụi trng, v ngc li ụng thỡ chỳng ta mc ỏo len, ỏo khoỏc v trỏnh ni cú giú hn ch c th mt nhit 7.1.1 Tng cng truyn nhit tng cng truyn nhit, ta cn da vo cỏc dng trao i nhit c bn tỡm nhng bin phỏp hiu qu nht Chng hn, mun tng cng dn nhit ta gim chiu dy ca vỏch, dựng vt liu lm vỏch cú h s dn nhit ln, tng chờnh nhit gia hai b mt vỏch Mun tng cng trao i nhit i lu ta cú th tng cng s nhiu lon ca chuyn ng v tng tc ca cht lng v.v Mun tng cng trao i nhit bc x, ta tng en v nhit ca cỏc vt trao i nhit bc x v.v Tuy nhiờn, ng thi xy cỏc dng trao i nhit c bn, vic tng cng truyn nhit mt cỏch hiu qu l mt phc cú gii phỏp ỳng n ta cn phõn tớch tng trng hp c th Vớ d cn tng cng truyn nhit qua vỏch phng mt lp ta cú lng nhit truyn qua b mt mt n v thi gian c biu din bng cụng thc: Q kFt Trong ú: (1) k, W/m2 H s truyn nhit F, m2 Din tớch b mt truyn nhit t - chờnh nhit T (1) ta thy cú th tng lng nhit truyn i bng cỏch tng k, hoc F, hoc t a) Tng h s truyn nhit i vi vỏch phng k 1 (2) Thụng thng vi cỏc vỏch mng nờn b qua nhit tr dn nhit thỡ h s truyn nhit gn ỳng bng: k 1 (3) Do vy tng cng truyn nhit chỳng ta cú th tng hoc , hoc hoc c v - Khi thỡ k - Ngc li, thỡ k GV Son: Th.S Phm Hu Hng 105 Bi ging K thut Nhit Nh vy nu gi l giỏ tr hn hai h s trao i nhit i lu v thỡ h s truyn nhit k b gii hn bi h s trao i nhit i lu ( bộ) hay: k (4) Nh vy tng cng truyn nhit núi chung hay h s truyn nhit k núi riờng chỳng ta cn tỡm cỏch tng h s trao i nhit ca dch th cú h s TNL b) Tng din tớch b mt trao i nhit F Khi lm thờm cỏch, gõn trờn b mt s tng din tớch tip xỳc vi mụi trng lm tng lng nhit truyn qua Xột truyn nhit qua vỏch phng dy , din tớch mt trỏi F1, mt bờn phi cú lm thờm cỏnh din tớch F2 Gi dũng nhit truyn t mụi trng bờn trỏi ti mt trỏi l Q1 Dũng nhit truyn t mt bờn trỏi ti mt phi l Q2 Dũng nhit truyn t mt phi ti mụi trng bờn phi l Q3 t L1 t m1 ; 1F t t Q2 F1 (t m1 t m2 ) = m1 m2 F1 t t Q3 = 2F2 (tm2 - tL2) = m2 L2 ; F2 Q1 = 1F1(tL1- tm1) = Q1 Q2 Q3 cỏnh F2 F1 Hỡnh Do Q1 = Q2 =Q3 , nờn dn ti : Q= t L1 t L2 1F1 .F1 F2 (5) Mt dũng nhit : q= Thy rng s hng Q t L1 t L2 = F1 F1 F2 (6) F1 mu gim F2 > F1 nờn mt dũng nhit q tng lờn F2 7.1.2 Hn ch truyn nhit Nh ó núi trờn, cuc sng cng nh k thut ụi chỳng ta li cn hn ch truyn nhit Cng ging tng cng truyn nhit hn ch truyn nhit chỳng ta cng cn xem xột cỏc hin tng truyn nhit c th tỡm cỏch hn ch nú mt cỏch cú li nht a) Vỏch phng GV Son: Th.S Phm Hu Hng 106 Bi ging K thut Nhit T k 1 ta thy cho thờm mt lp vt liu cú h v k 1 1 s dn nhit cn cng vi chiu dy cn cng ln thỡ nhit tr cng tng v mt dũng nhit cng gim Khi ú chn vt liu cỏch nhit no, vi chiu dy bao nhiờu ch l kinh t b) Vỏch tr v ng kớnh ti hn ca lp cỏch nhit Nu b mt truyn nhit l hỡnh tr thỡ khụng n gin nh vy Nhit tr ca vỏch tr cú thờm lp cỏch nhit l: R d d 1 1 ln ln cn 1d1 d1 cn d d c (7) d1 l ng kớnh ca vỏch d2 l l ng kớnh ngoi ca vỏch dcn l ng kớnh ngoi ca lp cỏch nhit Khi b dy cỏch nhit tng tc l dcn tng s dn ti tng nhng d ln cn cn d gim Vỡ vy .d cn qmax q,R qM qN nhit tr ton phn cú th gim Do vy cn phi xột mi quan h gia Rt nhit tr ton phn v ng kớnh Rt = cỏch nhit Ta o hm nhit tr d theo ng kớnh cỏch nhit: d2 d R 1 d d cn cn d cn d cn dC * dC' Nhit tr ton phn nh nht khi: d R 1 ngha l d d cn cn d cn d cn ng kớnh cỏch nhit ng vi R nh nht gi l ng kớnh cỏch nhit ti hn d th ng kớnh cỏch nhit ti hn bng: d th Hoc GV Son: Th.S Phm Hu Hng cn (8) d th cn 107 Bi ging K thut Nhit ng vi dth thỡ tn tht nhit l ln nht, vy mun cỏch nhit phi lu ý n iu kin trờn, ngha l dcn d th T hỡnh 7.13 ta thy ch no chn cn d2 > dth thỡ vic bc cỏch nhit mi dn n gim q iu ny cú ngha l phi chn vt liu cỏch nhit m bo iu kin cn GV Son: Th.S Phm Hu Hng 108 2d Bi ging K thut Nhit 7.2 Thit b trao i nhit nh ngha Thit b trao i nhit (TBTN) l thit b ú thc hin quỏ trỡnh trao i nhit gia cỏc cht ti nhit cú nhit khỏc nhau, vớ d thit b sy, bỡnh ngng, bỡnh bay hi v.v Phõn loi: Tựy theo mc ớch s dng m cỏc thit b trao i nhit cú cu to v tờn gi khỏc nhau, nhng v nguyờn lý lm vic chỳng c chia thnh cỏc loi sau: a) Thit b trao i nhit kiu vỏch ngn Trong thit b trao i nhit loi ny, cỏc cht ti nhit trao i nhit vi mt cỏch liờn tc qua vỏch ngn cỏch S trao i nhit c thc hin mt cỏch liờn tc v ch n nh Vớ d cỏc bỡnh ngng hi, cỏc b quỏ nhit b) Thit b trao i nhit kiu hi nhit Trong TBTN loi ny, cỏc cht ti nhit trao i nhit vi qua b nhn nhit trung gian gi l b tớch nhit B tớch nhit cú th ng yờn hay quay trũn S trao i nhit thit b loi ny c tin hnh qua hai giai on Giai on u cho cht ti nhit cú nhit cao i qua, cht ti nhit s nh nhit cho b phn tớch nhit, sau ú cho cht ti nhit cú nhit thp i qua, cht ti nhit s nhn nhit t b phn tớch nhit Vy s trao i nhit õy cú tớnh chu k v khụng n nh TBTN kiu ny cỏc thit b lũ cao, mt s nh mỏy nhit in t núng dũng khụng khớ nh dũng khúi cú nhit cao c) Thit b trao i nhit kiu hn hp Trong TBTN kiu hn hp cỏc cht ti nhit trao i nhit vi chỳng hn hp vi c im ca loi ny l quỏ trỡnh trao i nhit xy ng thi vi quỏ trỡnh trao i cht Vớ d cỏc thỏp gii nhit, thit b iu tit khụng khớ kiu phun Cỏc phng trỡnh c bn tớnh nhit Tớnh toỏn thit b trao i nhit cú th l tớnh toỏn thit k hay tớnh toỏn kim tra Mc ớch ca tớnh toỏn thit k l xỏc nh din tớch b mt trao i nhit theo nhng yờu cu Cũn tớnh toỏn kim tra nhm mc ớch kim tra li ch lm vic ca thit b trao i nhit ó lm vic sau mt thi gian, õy ch yu l kim tra nhit cui ca nhng cht ti nhit Tuy nhim v cú khỏc nhng cỏc tớnh toỏn u phi da vo hai phng trỡnh c bn l phng trỡnh truyn nhit v phng trỡnh cõn bng nhit a) Phng trỡnh truyn nhit Q kFt (1) õy: Q, W dũng nhit (lng nhit trao i gia hai cht ti nhit mt n v thi gian) k, W/m2 H s truyn nhit ca thit b trao i nhit Fá m2 Din tớch b mt trao i nhit GV Son: Th.S Phm Hu Hng 109 Bi ging K thut Nhit t chờnh nhit trung bỡnh Tựy theo yờu cu v chớnh xỏc m chờnh nhit trung bỡnh cú th tớnh theo phng phỏp logarit hay phng phỏp s hc b) Phng trỡnh cõn bng nhit Q G1 i1' i1" G i'2 i"2 (2) õy: Ch s tng ng vi cht ti nhit núng, cũn ch s tng ng vi cht ti nhit lnh Du tng ng vi cỏc thụng s i vo thit b Du tng ng vi cỏc thụng s i thit b G Lu lng lngá kg/s i entanpi, J/kg Nu cỏc cht ti nhit khụng bin i pha v cú nhit dung riờng khụng i thỡ phng trỡnh cõn bng nhit cú th vit: Q G1Cp1 t1' t1'' G 2Cp2 t ''2 t '2 (3) Cp Nhit dung riờng lng ng ỏp, J/kgK t Nhit , oC Ta t W GCp , W/k gi l ng lng nc (hay nhit dung ton phn) Khi ú Q W1 t1' t1'' W2 t ''2 t '2 (4) T ú suy ra: t1' t1'' t1 W2 t ''2 t '2 t W1 (5) s thay i nhit ca cht ti nhit núng S thay i nhit ca cht ti nhit lnh Ta thy s thay i nhit ca cht ti nhit t l nghch vi nhit dung ton phn ca chỳng Bờn cnh s thay i nhit cỏc cht ti nhit cũn ph thuc vo chiu chuyn ng ca chỳng Trong thit b trao i nhit, cỏc cht ti nhit cú th chuyn ng theo cỏc cỏch khỏc nhau: chuyn ng song song cựng chiu, chuyn ng song song ngc chiu v chuyn ng ct Cựng chiu Ngc chiu Hỡnh Tớnh chờnh trung bỡnh ca nhit gia hai cht lng GV Son: Th.S Phm Hu Hng 110 Ct Bi ging K thut Nhit Thit lp cụng thc tớnh chờnh nhit trung bỡnh chớnh xỏc ca thit b trao i nhit cú vỏch ngn cho trng hp hai dũng dch th chuyn ng song song cựng chiu S xỏc nh chờnh nhit trung bỡnh cho trng hp dch th song song cựng chiu cho hỡnh Hỡnh Phng phỏp xỏc nh chờnh nhit trung bỡnh Logarit Xột quỏ trỡnh trao i nhit gia hai dch th ti hai im bt k ca b mt truyn nhit F x v Fx+dFx Dc theo phõn t dFx nhit ca dch th núng v dch th lnh thay i mt lng tng ng bng dt1 v dt2 Vỡ phõn t dFx l vụ cựng nh nờn hon ton cú th xem chờnh nhit gia hai dch th khong dF l khụng i v bng t x Khi ú, phng trỡnh truyn nhit vit cho phõn t b mt truyn nhit dF bng: dQ kdFx t x (6) Theo ký hiu trờn hỡnh 2, vi phõn nhit ca dch th núng dt s ly giỏ tr õm Do ú, nhit lng dQ theo phng trỡnh cõn bng nhit c vit di dng: dt1 dt dQ W1 (7) dQ W2 (8) Tr tng v ca hai phng trỡnh (7) v (8) cho ta c: dt1 dt ( Hay 1 )dQ W1 W2 1 d(t1 t ) dQ W1 W2 GV Son: Th.S Phm Hu Hng 111 Bi ging K thut Nhit t 1 m W1 W2 Khi ú d(t1 t ) mdQ (9) Nh trờn ta núi, phm vi b mt truyn nhit vụ cựng nh dF ta cú th xem (t - t2) khụng i v bng t x Do ú, thay giỏ tr dQ bng biu thc (6) vo quan h trờn ta c: d t x mkdFx t x (10) Khi tớch phõn hai v phng trỡnh (10) vi t x bin i t t1 t1' t '2 v vi bin s Fx t n Fx ta c: d t x Fx mkdFx t x Hay ln t x mkFx t1 Do ú t x t1e mkdFx t x t1 (11) Cụng thc (11) biu din quy lut thay i ca chờnh nhit t x theo b mt truyn nhit Fx T quan h hm s t x f Fx dng (11) d dng tớnh c chờnh nhit trung bỡnh Theo khỏi nim giỏ tr trung bỡnh ca mt hm s ta cú: t1 (e mkF 1) 1 mkFx t dF t e dF x x x F F mkF F t F (12) Mt khỏc t (11) thay t x t t1'' t ''2 v Fx = F ta c t t1.e mkF e mkF Hay t t1 => mkF ln (13) t t1 (14) Thay (13) v (14) vo (12) ta c giỏ tr nhit trung bỡnh Logarit t t Hay t t1 t ln t1 t1 t t ln t Trong ú: t1 t1' t '2 v t t1'' t ''2 GV Son: Th.S Phm Hu Hng (15) (16) 112 Bi ging K thut Nhit Nhn xột: Trong trng hp hai dch th chuyn ng song song v ngc chiu giỏ tr m (9) i hỡnh dng: 1 m W1 W2 Bng phng phỏp tng t chỳng ta cng chng minh c rng chờnh lch nhit trung bỡnh Logarit trng hp hai dch th chuyn ng song song ngc chiu cng ly gn ỳng dng (15) v (16) nhng ú t1 t1' t ''2 v t t1'' t '2 Nh vy, chờnh nhit t1v t c hai trng hp song song cựng chiu v song song ngc chiu u dn n chờnh ban u vo (F = 0) v u (F = F) ca thit b gia dch th núng v dch th lnh Vỡ vy, trỏnh ly logarit mt s nh hn v trỏnh mi nhm ln khỏc dựng chung mt cụng thc tớnh chờnh nhit trung bỡnh cho c hai trng hp cựng chiu v ngc chiu chỳng ta cú th s dng cụng thc t t max t t ln max t (17) Trng hp s bin thiờn nhit ca cht lng dc theo b mt trao i nhit tng i ớt t max / t thỡ cú th dựng chờnh nhit trung bỡnh s hc thay cho chờnh nhit trung bỡnh Logarit m sai s khụng vt quỏ 4% Trong trng hp hai dch th chuyn ng ct nhau, chờnh nhit trung bỡnh t cn s c tớnh theo chờnh nhit trung bỡnh hai dch th chuyn ng ngc chiu t nc vi mt h s iu chnh t theo cụng thc: t cn t t nc (18) H s hiu chnh t c xỏc nh bng thc nghim theo hai tham s P v R: P t1' t1'' t ''2 t '2 R v t ''2 t '2 t1' t '2 Cỏc trng hp chuyn ng phc khỏc cng tớnh tng t theo cụng thc (18) v h s t tng ng xem ph lc cỏc sỏch chuyờn mụn GV Son: Th.S Phm Hu Hng 113 Bi ging K thut Nhit MC LC LI NểI U PHN MT: NHIT NG K THUT CHNG I: NHNG KHI NIM C BN 1.1 H thng nhit ng 1.2 Nng lng ca h nhit ng CHNG II: QU TRèNH NHIT NG - NH LUT NHIT NG HC11 2.1 Quỏ trỡnh nhit ng, trao i nng lng quỏ trỡnh 11 2.2 nh lut nhit ng hc 17 2.3 Cỏc quỏ trỡnh nhit ng c bn ca khớ lý tng 20 2.4 Quỏ trỡnh nộn khớ mỏy nộn 27 2.5 Quỏ trỡnh lu ng v tit lu ca cht khớ v hi 33 CHNG III: CHU TRèNH NHIT NG, NH LUT II NHIT NG 41 3.1 Chu trỡnh nhit ng 41 3.2 Chu trỡnh Carnot 44 3.3 Entropi 46 3.4 nh lut hai nhit ng 49 3.5 Chu trỡnh ng c t 50 3.6 Chu trỡnh mỏy lnh dựng khụng khớ v hi nộn 58 PHN HAI: TRUYN NHIT 61 CHNG IV: DN NHIT 62 4.1 Nhng khỏi nim c bn 62 4.2 Phng trỡnh vi phõn dn nhit 65 4.3 Dn nhit n nh qua vỏch phng iu kin biờn loi v loi 69 4.4 Dn nhit n nh qua vỏch tr iu kin biờn loi v loi 74 CHNG V: TRAO I NHIT I LU 79 5.1 Nhng khỏi nim c bn 79 GV Son: Th.S Phm Hu Hng 114 Bi ging K thut Nhit 5.2 H phng trỡnh miờu t TNL 82 5.3 Khỏi quỏt v lý thuyt ng dng 85 5.4 Mt s phng trỡnh tiờu chun ta nhit i lu 92 CHNG VI: TRAO I NHIT BC X 97 6.1 Nhng khỏi nim c bn 97 6.2 Cỏc nh lut bc x c bn 99 6.3 Trao i nhit bc x gia hai tm phng song song 101 CHNG VII: TRUYN NHIT V THIT B TRAO I NHIT 105 7.1 Tng cng v hn ch truyn nhit 105 7.2 Thit b trao i nhit 109 GV Son: Th.S Phm Hu Hng 115 ... nhiệt nghiên cứu quy luật truyền nhiệt vật vật có nhiệt độ khác GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt PHẦN I: NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Nhiệt động kỹ thuật môn học nghiên cứu quy luật... vấn đề cần nắm vững môn Kỹ thuật nhiệt Môn kỹ thuật nhiệt đƣợc chia thành hai phần: Phần Nhiệt động kỹ thuật nghiên cứu quy luật chuyển hóa lƣợng có liên quan đến nhiệt Phần “Truyền nhiệt .. .Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt LỜI NÓI ĐẦU “KỸ THUẬT NHIỆT” môn học nghiên cứu quy luật biến đổi lƣợng (chủ yếu quy luật biến đổi nhiệt năng) quy luật truyền nhiệt vật nói chung thiết bị nhiệt