Bài giảng nhiệt động lực học

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT TS Trần Văn Hƣng Bộ Môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Sơ lƣợc mơn học • Tên mơn học: Nhiệt động lực học kỹ thuật • Mã mơn học: 210014 • Số tiết: 42 tiết • Số tín chỉ: • Hình thức đánh giá: • Kiểm tra kỳ: 15%, 20%, 15% • Kiểm tra cuối kỳ: 50% • Tài liệu tham khảo: • Hồng Đình Tín, Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, NXB KHKT, 1997 • Hồng Đình Tín, Bùi Hải, Bài tập nhiệt động học kỹ thuật truyền nhiệt, NXB ĐHQG TpHCM, 2002 •Hồng Đình Tín, Nhiệt cơng nghiệp, NXB ĐHQG TpHCM, 2001 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM NỘI DUNG MÔN HỌC • Chương 1: Các khái niệm PTTT KLT • Chương 2: Định luật nhiệt động thứ trình nhiệt động KLT • Chương 3: Định luật nhiệt động thứ hai • Chương 4: Exergy (tham khảo) • Chương 5: Chất khiết • Chương 6: Khơng khí ẩm • Chương 7: Chu trình thiết bị động lực nước • Chương 8: Chu trình thiết bị lạnh • Chương 9: Chu trình động đốt • Chương 10: Q trình nén khí • Chương 11: Q trình lưu động tiết lưu • Chương 12: Chu trình turbine khí động phản lực TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM CHƢƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƢỞNG Các vấn đề chung Trạng thái thông số trạng thái Phương trình trạng thái chất khí TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Các vấn đề chung Quy luật biến đổi lượng Nhiệt Nhiệt động lực học? Cơ Các biện pháp nâng cao hiệu biến đổi Kiến thức nhiệt động lực học cần thiết cho lĩnh vực:  ĐHKK, Cấp trữ đơng, thơng gió…  Bơm, quạt, máy nén  Thiết bị sấy  Các loại động cơ: tuabin hơi, tuabin khí, động đốt trong, động phản lực…  Cơng nghệ tách khí, hóa lỏng  Năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triều… TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Hệ nhiệt động: Khoảng không gian chứa lượng định chất môi giới khảo sát biện pháp nhiệt động Beà mặt ranh giới q1 Hệ nhiệt động (Chất môi giới) Chất mơi giới? q2 Mặt ranh giới? Môi trường xung quanh l Môi trường? Chất môi giới (Chất công tác)? Là chất trung gian thực biến đổi chuyển tải lượng Hoặc tích trữ lượng VD: Trong động nhiệt: khơng khí Trong động nước: nƣớc Trong động đốt trong: hỗn hợp xăng + khí Trong thiết bị lạnh: chất làm lạnh (freon hay NH3…) TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Hệ kín:  Chỉ trao đổi mặt lượng với môi trường  Lượng chất môi giới bên hệ thống trì khơng đổi Máy lạnh Bơm nhiệt… TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Hệ hở: Hệ trao đổi với môi trường lượng khối lượng Chất mơi giới vào khỏi hệ thống Ví dụ: Động đốt Động phản lực Turbin khí… TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Hệ đoạn nhiệt: Hệ không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh Hệ lập: Giữa chất mơi giới mơi trường hồn tồn khơng có trao đổi lượng Hệ khơng có trao đổi nhiệt cơng với môi trường TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Nguồn nhiệt ? Nguồn nóng + nguồn lạnh ? Máy nhiệt ? Động nhiệt, Bơm nhiệt máy làm lạnh  Động nhiệt: - Máy nhiệt dùng để sinh công - Chất môi giới vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn nóng đến nguồn lạnh Ví dụ: Động đốt Động phản lực Thiết bị động lực nước Các loại turbine… 10 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM KHÁI NIỆM CHUNG Động đốt bao hàm ý nghĩa trình cháy xẩy bên động cơ, tập quán động đốt thường để động có q trình cháy xẩy bên động loại động kiểu piston-xilanh Động đốt có đặc điểm chung dùng sản phẩm cháy làm chất mơi giới thực q trình: nạp, nén, giản nở (cháy nổ) thải (xả) chất môi giới nhờ xilanh có piston để truyền cơng bên ngồi Tuy nhiên nguyên lý làm việc chúng có đặc điểm khác nhau, có nhiều cách phân loại sau: TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM a Theo Phƣơng pháo đốt nhiên liệu: - Động cháy cưỡng - Động tự cháy b Theo số hành trình piston: - Động bốn - Động hai c Theo trình cấp nhiệt động (quá trình cháy): - Chu trình cấp nhiệt đẳng tích - Chu trình cấp nhiệt đẳng áp - Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM CHU TRÌNH CẤP NHIỆT ĐẲNG TÍCH (air-standard otto cycle) TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM CHU TRÌNH CẤP NHIỆT ĐẲNG TÍCH (air-standard otto cycle) TDC; Top Dead Center BDC; Bottom Dead Center TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Tỷ số nén  v1 v2 Tỷ số tăng áp  p3 p2 1-2 Quá trình nén đoạn nhiệt k v1 p   v1   p  k ; v2  ;   v   2 T2  v1    T1  v2  k 1   k 1  T2  T1 k 1 2-3 Q trình cấp nhiệt đẳng tích v3  v2  v1  ; T3 p3 k 1     T   T   T  p3   p2   p1 ; T2 p2 k TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM 3-4 Quá trình nén đoạn nhiệt 4-1 Quá trình đẳng tích k k  v3   v2  p p4  p3    p3    k3  p1 ;  v4   v1   T4  v3    T3  v4  k 1  v2     v1  k 1   ;  T4  T3 k 1  Nhiệt lượng cấp vào chu trình: q1 =cv(T3-T2) Nhiệt lượng thải chu trình: q2 =cv(T4-T1) k 1  T1 k 1  k 1  T1 Hiệu suất chu trình: q2 (T4  T1 ) (T1  T1 ) w q1  q2 t   1 1 1   k 1 ; k 1 k 1 q1 q1 q1 (T3  T2 ) (T1   T1 )  TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Công chu trình 1 W  W12  W34  ( p1v1  p2v2 )  ( p3v3  p4v4 )  pi (v1  v2 ) k 1 k 1 pi - áp suất thị trung bình, áp suất giả thiết có trị số khơng đổi thực hành trình piston thực lượng công công lý thuyết TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM CHU TRÌNH CẤP NHIỆT ĐẲNG ÁP (air-standard diesel cycle) TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Tỷ số nén v1  v2 Tỷ số giản nở sớm  v3 v2 p2  p1 k ;T2  T1 k 1  v3   v2  v1 ; p3  p2  p1 k ;T3  T2  T1 k 1  k  v3  p4  p3    p1 k ;T4  T1  k  v4  cv (T4  T1 )  k 1 t   1   k 1 q1 c p (T3  T2 ) k (   1) q2   W  q1  q2  cvT1 k k 1    1   k     TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM CHU TRÌNH CẤP NHIỆT HỖN HỢP(air-standard dual cycle-Trinkler cycle) Quá trình cháy tiến hành theo giai đoạn: cấp nhiệt đẳng tích (khi nhiên liệu phun vào bùng cháy, pittơng chưa kịp di chuyển), q trình cấp nhiệt đẳng áp (khi pittông dịch chuyển từ ĐCT đến ĐCD mà bơm dầu phun nhiên liệu) TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Thông số đặc trưng chu trình Tỷ số nén: v1  v2 Tỷ số tăng áp:  p3 p2 v4 v4 Tỷ số giản nở sớm:    v3 v2 Hiệu suất nhiệt chu trình:  k  t   k 1 (  1)  k  (   1) TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Động đốt hai (Two-stroke engine cycle) TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Ví dụ Một động đốt gồm xylanh hoạt động theo chu tr.nh Otto, tỷ số nén ε = 8,6; dung tích qt xylanh-pittơng Vq = 1100cm3, áp suất khí trạng thái ban đầu p1 = 1bar, nhiệt độ t1=18oC, nhiệt lượng cấp vào cho xylanh 135J a Tính hiệu suất nhiệt chu tr.nh b Xác định nhiệt độ Tmax pmax chu trình Khi tính xem chất mơi giới khơng khí TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Ví dụ 2: Một động đốt hoạt động theo chu trình động Diesel cấp nhiệt đẳng áp, thông số cần thiết sau: khơng khí hút vào có p1=100kPa, t1=27oC, tỉ số nén ε =18, nhiệt độ cực đại chu trình Tmax=2653,3K a Xác đ.nh thơng số p, v, T điểm đặc trưng chu trình b Xác định hiệu suất nhiệt chu trình c Biểu diển chu tr.nh đồ thị T-s thể diện tích phân lượng liên quan: q1, |q2|, l Chất mơi giới xem khơng khí, nhiệt dung riêng xem số TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM ... Đình Tín, Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, NXB KHKT, 1997 • Hồng Đình Tín, Bùi Hải, Bài tập nhiệt động học kỹ thuật truyền nhiệt, NXB ĐHQG TpHCM, 2002 •Hồng Đình Tín, Nhiệt công nghiệp,... chất khí TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Các vấn đề chung Quy luật biến đổi lượng Nhiệt Nhiệt động lực học? Cơ Các biện pháp nâng cao hiệu biến đổi Kiến thức nhiệt động lực học cần thiết cho lĩnh... BÁCH KHOA TPHCM Nguồn nhiệt ? Nguồn nóng + nguồn lạnh ? Máy nhiệt ? Động nhiệt, Bơm nhiệt máy làm lạnh  Động nhiệt: - Máy nhiệt dùng để sinh công - Chất mơi giới vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn