Bài giảng nhiệt kỷ thuật

Phương trình trạng thái viết cho 1 kg khí lý tưởng có dạng: pv = RT 2.1Trong đó: p là áp suất tuyệt đối N/m2 v là thể tích riêng m3/kg R là hằng số chất khí J/kg.oK T là nhiệt độ tuyệt đ

PGS.TS TRẦN NGỌC

BÀI GIẢNG NHIỆT KỸ THUẬT

(Giáo trình lưu hành nội bộ)

QUẢNG BÌNH, THÁNG 6 NĂM 2017

Mục lục

Trang

Chương 1 Môi chất và phương trình trạng thái của môi chất ở pha khí 3

Đ1 Môi chất và các thông số trạng thái của môi chất 3

Đ2 Sự chuyển pha của môi chất 6

Đ3 Phương trình trạng thái của môi chất ở pha khí 8

Chương 2 Các quá trình nhiệt động của môi chất 11

Đ1 Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng 11

Đ2 Quá trình hỗn hợp của chất khí 19

Đ3 Quá trình lưu động của khí và hơi 23

Đ4 Quá trình tiết lưu của khí hoặc hơi 28

Đ5 Các quá trình của không khí ẩm 30

Chương 3 Các chu trình nhiệt động 33

Đ1 Khái niệm về chu trình nhiệt động 33

Đ2 Chu trình thuận chiều 36

Đ3 Chu trình ngược chiều 47

Phần hai: Truyền nhiệt 51

Chương 4 Dẫn nhiệt ổn định 51

Đ1 Những khái niệm cơ bản về dẫn nhiệt 51

Đ2 Định luật Fourier về dẫn nhiệt 52

Đ3 Phương trình vi phân dẫn nhiệt 53

Đ4 Dẫn nhiệt ổn định khi không có nguồn nhiệt bên trong 57

Câu hỏi ôn tập cuối học phần 63

Mở đầu

“Nhiệt kỹ thuật” là môn học nghiên cứu những quy luật biến đổi nănglượng (chủ yếu là quy luật biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng) và quy luậttruyền nhiệt năng trong các vật nói chung và trong các thiết bị nhiệt nói riêng.Môn học này gồm hai phần: Nhiệt động kỹ thuật và Truyền nhiệt

Nhiệt động kỹ thuật nghiên cứu các quy luật biến đổi năng lượng có liênquan tới năng lượng nhiệt trong các quá trình lý hoá khác nhau, trong đó có cácquá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng và ứng dụng trong kỹ thuật

Truyền nhiệt nghiên cứu các dạng và các quá trình trao đổi nhiệt giữa cácvật thể có nhiệt độ khác nhau

Chương 1.Môi chất và phương trình trạng thái

của môi chất ở pha khí

Đ1 Môi chất và các thông số trạng thái của môi chất

1.1 Môi chất

Để thực hiện quá trình biến đổi giữa nhiệt và công trong các máy nhiệtngười ta dùng chất trung gian gọi là môi chất (hay chất môi giới) Môi chất cóthể ở một trong ba thể cơ bản: thể khí, thể lỏng hoặc thể rắn Trong các máynhiệt thường thấy môi chất ở thể khí, vì chất khí có khả năng thay đổi thể tích rấtlớn nên có khả năng trao đổi công lớn

Mọi chất khí trong tự nhiên đều là khí thực, chúng được tạo nên từ các phân

tử và nguyên tử, các phân tử và nguyên tử này có kích thước bản thân nhất định,

đồng thời giữa chúng có lực tác dụng tương hỗ Trước tiên, để đơn giản cho việcnghiên cứu, chúng ta đưa ra khái niệm gọi là khí lý tưởng Đó là khí gồm cácphân tử và nguyên tử mà giữa chúng không có lực tương tác và chúng không cóthể tích bản thân, các phân tử và nguyên tử ở đây chỉ là những chất điểm chuyển

động

Trong thực tế, các khí như không khí, hyđrô, ôxy, ở điều kiện áp suất thấp

và nhiệt độ bình thường có thể coi là khí lý tưởng với sai số gặp phải trong tínhtoán không lớn lắm

1.2 Các thông số trạng thái của môi chất

Thông số trạng thái là những đại lượng vật lý có giá trị xác định ở một trạngthái nhất định nào đó Thông số trạng thái là hàm chỉ phụ thuộc vào trạng thái

mà không phụ thuộc vào quá trình Nếu môi chất biến đổi rồi lại trở về trạng tháiban đầu, giá trị của thông số trạng thái sẽ không đổi

Các thông số nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng được gọi là các thông số trạngthái cơ bản vì chúng có thể được đo trực tiếp Các thông số trạng thái còn lại gọi

là hàm trạng thái, vì chúng không đo được trực tiếp mà phải thông qua các thông

được ký hiệu là p:

Fp

S

 (N/m2)

Trong đó: F là lực tác dụng của các phân tử khí hoặc chất lỏng (N)

S là diện tích thành bình (m2)Trong hệ SI: 1 N/m2 = 1 Pa (Pascal)

1 KPa = 103 Pa; 1 MPa = 106PaNgoài ra, người ta còn dùng các đơn vị khác:

điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ ta có nhiệt kế điện trở; dựa điện trở phụ thuộcvào nhiệt độ ta có nhiệt kế điện trở; dựa vào hiệu ứng nhiệt điện ta có nhiệt kếcặp nhiệt

Thường dùng hai thang nhiệt độ sau để xác định nhiệt độ: nhiệt độ báchphân và nhiệt độ tuyệt đối

Nhiệt độ bách phân ký hiệu là t, đơn vị oC Trong thang nhiệt độ bách phân

0 oC ứng với nhiệt độ nước đá đang tan và 100 oC ứng với nhiệt độ nước sôi, tấtcả đều ở áp suất p = 760 mmHg Từ 0oC đến 100 oC người ta chia làm 100 phầnbằng nhau, mỗi phần ứng với 1oC

Nhiệt độ tuyệt đối (còn gọi là nhiệt độ Kelvin), ký hiệu là T, đơn vị oK.Quan hệ giữa hai thang nhiệt độ trên biểu thị bằng biểu thức:

Cần lưu ý rằng giá trị một độ trong hai thang nhiệt độ trên là như nhau (tức

làT = t và dT = dt)

Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ tuyệt đối tỷ lệ thuận với động năngcủa các phân tử Vậy nhiệt độ thấp nhất của vật chất là nhiệt độ ứng với trạngthái vật chất mà trong đó các phân tử ngừng chuyển động, nhiệt độ thấp nhất nàygọi là không độ tuyệt đối 0oK

Từ (1.1) ta có:

0oK = - 273,15 oC - 273oC

Ngoài các thang nhiệt độ trên, người ta còn dùng thang nhiệt độ Farenheit,

đơn vị đo làoF Ta có quy đổi sau:

Để biểu thị các pha rắn, lỏng, hơi của một chất, ta dùng đồ thị p – t Hình1.1 và 1.2 biểu thị các pha của CO2 và H2O trên đồ thị p – t

K

O A

B

t

p

lỏng rắn

B

t

p

lỏng rắn

hơi

H2O

Hình 1.2 Đồ thị pha p – t của H2O

ở đây đường OB biểu thị quá trình chuyển từ pha rắn sang hơi (gọi là sựthăng hoa) và ngược lại (sự ngưng kết) Đường OA biểu thị quá trình chuyển pharắn sang lỏng (sự nóng chảy) và ngược lại (sự đông đặc) Đường OK biểu thị quátrình chuyển từ pha lỏng sang hơi (sự hoá hơi) và ngược lại (sự ngưng tụ) Điểm

O gọi là điểm 3 pha (hay 3 thể) ở điểm 3 pha, vật chất có thể tồn tại ở cả 3 pha:rắn, lỏng, hơi Điểm K gọi là điểm tới hạn Ví dụ với H2O điểm 3 pha có t =0,010C; p = 0,00605 at và điểm tới hạn tk = 374,150C; pk = 221,29 bar; với O2

điểm tới hạn có tk = - 1180C Trong pha hơi, để phân biệt người ta gọi khí là hơi

có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tới hạn (ví dụ O2 ở nhiệt độ bình thường lớn hơnnhiệt độ tới hạn nên thường gọi là khí O2); người ta gọi khí là hơi của chất lỏng

có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tới hạn (ví dụ H2O có nhiệt độ bình thường nhỏ hơnnhiệt độ tới hạn nên thường gọi là hơi nước)

Khi chuyển từ pha này sang pha khác, cần một lượng nhiệt nhất định gọichung là nhiệt chuyển pha

2.2 Sự thăng hoa- ngưng kết, nóng chảy - đông đặc, hoá hơi - ngưng tụ

a) Sự thăng hoa-ngưng kết

- Thăng hoa là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha hơi, ngược lại quá trìnhchuyển từ pha hơi sang pha rắn gọi là sự ngưng kết Từ đồ thị pha p – t ta nhậnthấy thăng hoa và ngưng kết chỉ có thể xẩy ra với áp suất và nhiệt độ nhỏ hơn

- Nhiệt chuyển pha ở đây gọi là nhiệt nóng chảy hay nhiệt đông đặc vàchúng có giá trị tuyệt đối như nhau.

Với nước ở áp suất khí quyển, nhiệt nóng chảy là 333 kJ/kg Từ đồ thị pha p – t

ta thấy nóng chảy - đông đặc chỉ xẩy ra ở áp suất lớn hơn áp suất của điểm 3pha Đa số các chất (ví dụ CO2 trên hình 1.1) khi áp suất tăng thì nhiệt độ nóngchảy tăng (nhưng không nhiều), ngược lại một số chất khi đông đặc thể tích tănglên (ví dụ H2O) áp suất tăng lên nhưng nhiệt độ đông đặc lại giảm (hình 1.2)

c) Sự hoá hơi -ngưng tụ

- Hoá hơi là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, ngược lại quá trìnhchuyển từ pha hơi sang pha lỏng gọi là sự ngưng tụ

- Khi hoá hơi, môi chất nhận nhiệt, ngược lại khi ngưng tụ môi chất nhảnhiệt

- Nhiệt chuyển pha ở đây gọi là nhiệt hoá hơi hay nhiệt ngưng tụ và chúng

có giá trị tuyệt đối như nhau ở áp suất khí quyển, nhiệt hoá hơi của nước là

2258 kJ/kg Từ đồ thị pha p – t ta thấy hoá hơi – ngưng tụ xẩy ra ở áp suất lớnhơn áp suất điểm 3 pha và với nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ nóng chảy (cùng ápsuất) Với mọi chất, khi áp suất tăng, nhiệt hoá hơi – ngưng tụ tăng

Đ3 Phương trình trạng thái của môi chất ở pha khí

3.1 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng trước đây được tìm ra từ các địnhluật thực nghiệm của khí lý tưởng (định luật Boyle-Mariotte; Gay-Lussac) Ngàynay phương trình trạng thái được tìm ra từ thuyết động học phân tử

Phương trình trạng thái viết cho 1 kg khí lý tưởng có dạng: pv = RT (2.1)Trong đó: p là áp suất tuyệt đối (N/m2)

v là thể tích riêng (m3/kg)

R là hằng số chất khí (J/kg.oK)

T là nhiệt độ tuyệt đối (oK)

Với chất khí có khối lượng m kg, sau khi nhân hai vế phương trình (2.1) với

ở đây:v = Vlà thể tích của một kilômol (m3/kmol)

R = Rlà hằng số phổ biến của chất khí (J/kmol.oK)

Vậy chúng ta có phương trình trạng thái đối với 1 kmol khí lý tưởng:

Từ (2.2), sau khi nhân hai vế của phương trình với số kilomol của chất khí

và lưu ý VM = V ta có phương trình trạng thái đối với số kilomol bất kỳ:

pV = MRT

3.2 Phương trình trạng thái của khí thực

Cho đến nay, bằng lý thuyết người ta chỉ tìm được phương trình trạng tháicủa khí lý tưởng ở các trạng thái cân bằng, dạng của phương trình này vừa trình

bày ở trên Nếu dùng phương trình đó để tính toán cho khí thực thì sẽ sai số Khisai số này vượt quá giới hạn cho phép trong kỹ thuật thì phương trình trạng tháicủa khí lý tưởng không thể dùng cho khí thực được nữa mà ta phải dùng phươngtrình trạng thái viết cho khí thực.

Đến nay, bằng lý thuyết cũng như thực nghiệm chúng ta chưa tìm được mộtphương trình trạng thái dùng cho mọi khí thực ở mọi trạng thái mà chỉ tìm đượcnhững phương trình đúng cho một hoặc một nhóm khí ở những khoảng áp suất

và nhiệt độ nhất định Dưới đây ta chỉ nêu lên dạng phương trình trạng thái đầutiên do Wan der Walls đề ra năm 1893

Như đã nói, khí thực khác với khí lý tưởng do lực tác dụng giữa các phân tử

và có thể tích bản thân của các phân tử Vậy trong phương trình trạng thái củakhí lý tưởng pv = RT, Wan der Walls đã hiệu chỉnh áp suất và thể tích

Về áp suất, do có lực hút giữa các phân tử nên áp suất trong chất khí lớnhơn áp suất trên bề mặt bình một lượng a2

v .

Về thể tích, không gian mà khí chiếm chỗ sẽ nhỏ hơn một lượng bằng thểtích bản thân b của các phân tử Vậy ta có phương trình trạng thái của khí thựclà:

Chương 2. Các quá trình nhiệt động của môi chất

Đ1 Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng

Thực tế có thể xẩy ra rất nhiều quá trình nhiệt động khác nhau Quá trìnhtổng quát nhất mà ta xét đầu tiên là quá trình đa biến, tiếp đó ta xét các trườnghợp đặc biệt của quá trình đa biến: quá trình đoạn nhiệt, quá trình đẳng nhiệt,quá trình đẳng áp và quá trình đẳng tích Chất khí mà ta xét ở đây là khí lýtưởng Các quá trình là các quá trình cân bằng hay thuận nghịch, chúng có thểxẩy ra trong hệ kín hoặc hệ hở

ở đây ta sẽ nghiên cứu những đặc tính của quá trình, quan hệ giữa cácthông số cơ bản khi trạng thái thay đổi, tính toán công và nhiệt, biểu diễn cácquá trình trên đồ thị p – v, T – s

Trước hết, ta xác định biến thiên nội năng và entanpi của khí lý tưởng: Như

đã biết, đối với khí lý tưởng ta có quan hệ: dU = CVdT; di = CPdT Vì CV= const,

Cp = const nên biến thiên nội năng và entanpi của khí lý tưởng trong mọi quátrình sẽ là:

1.1 Quá trình đa biến

Chúng ta nghiên cứu quá trình tổng quát nhất trong hệ nhiệt động đó là quátrình đa biến Quá trình đa biến là quá trình xẩy ra mà ở đó nhiệt dung riêng củaquá trình không thay đổi: C = const Trong quá trình này, các thông số trạng thái

đều có thể thay đổi và hệ có thể trao đổi công và nhiệt với môi trường

Để tìm phương trình của quá trình đa biến, ta giả thiết quá trình đa biến môichất trao đổi nhiệt với môi trường Từ cách tính nhiệt theo nhiệt dung riêng ta có:

dQ = CdT và từ các phương trình định luật nhiệt động học thứ nhất ta có:

dQ = CVdT – Vdp = CdT

dQ = CVdT + pdV = CdT

Từ đó ta có thể viết:

(C – CP)dT = - Vdp

(C - CV)dT = pdV

Sau khi chia hai vế của hai phương trình trên cho nhau ta có:

P V

Công thay đổi thể tích của quá trình đa biến được tìm như sau:

Trước tiên từ quan hệ (2.3) ta suy ra biểu thức tính nhiệt dung riêng trongquá trình đa biến:

2 1

T

S C lg

T

1.2 Các trường hợp riêng của quá trình đa biến

a) Quá trình đoạn nhiệt

Quá trình đoạn nhiệt là quá trình xẩy ra khi không có sự trao đổi nhiệt giữa

hệ (môi chất) và môi trường: q = 0, dq = 0

Nhiệt dung riêng của quá trình: Ck dq 0

Công kỹ thuật của quá trình suy ra từ hệ quả (2.11) với n = 1:

Quá trình đẳng áp là quá trình xẩy ra khi áp suất của môi chất không đổi p

= const Nhiệt dung riêng của quá trình ký hiệu là Cp

Hình 2.2 Đồ thị p-v và T-S của quá trình đoạn nhiệt

Vậy từ (2.3) khi C = Cpta suy ra số mũ đa biến của quá trình đẳng áp n = 0.

Quá trình đẳng áp được biểu diễn bằng đường thẳng nằm ngang trên đồ thị

p – v và đường cong lôgarit bề lồi quay về phía trục hoành trên đồ thị T-S (hình2.3)

d) Quá trình đẳng tích

Hình 2.3 Đồ thị p-v và T-S của quá trình đẳng áp

Quá trình đẳng tích là quá trình xẩy ra trong điều kiện thể tích của môi chấtkhông đổi (v = const) Nhiệt dung riêng của quá trình ký hiệu là CV, vậy từ (2.3)khi C = CV ta suy ra số mũ đa biến của quá trình đẳng tích n =  Từ (2.4) tasuy ra phương trình của quá trình:

Công kỹ thuật của quá trình có thể suy ra từ biểu thức (2.11) và (2.9) với

n =hoặc từ biểu thức định nghĩa:

Quá trình đẳng tích được biểu diễn bằng đường thẳng đứng trên đồ thị p –

v và đường cong logarit bề lồi quay về phía trục hoành trên đồ thị T-S (hình 2.4)

Để so sánh độ dốc của đường cong đẳng áp và đẳng tích trên đồ thị T-S ở cùngnhiệt độ ta làm như sau:

Vậy trên đồ thị T-S, đường cong đẳng tích sẽ dốc hơn đường cong đẳng áp.

Tóm lại quá trình đa biến là quá trình tổng quát với số mũ đa biến n = - 

+ trong đó các quá trình nhiệt động cơ bản còn lại chỉ là trường hợp riêng của

- Khi entropi tăng, nhiệt của quá trình sẽ có dấu dương và ngược lại Vậy

QAB> 0 khi quá trình xẩy ra nằm về bên phải đường đoạn nhiệt và ngược lại

- Khi nhiệt độ tăng, biến thiên nội năng sẽ mang dấu dương và ngược lại.VậyUAB> 0 khi quá trình nằm phía trên đường đẳng nhiệt và ngược lại

Đ2 Quá trình hỗn hợp của chất khí

ở bài này ta nghiên cứu cách tạo hỗn hợp khí Ví dụ khi ta nối các đườngống dẫn khói vào một ống dẫn khói chung, khi hoà trộn dòng khí lạnh vào dòng

khí nóng, Khi đó ta cần xác định các thông số trạng thái của các khí thànhphần tạo ra hỗn hợp.

Có ba cách tạo ra hỗn hợp: hỗn hợp trong thể tích đã cho, hỗn hợp theodòng và hỗn hợp khi nạp vào thể tích cố định ở đây nghiên cứu quá trình hỗnhợp của khí (khí lý tưởng, khí thực) khi các khí không thực hiện công ngoài đốivới môi trường (An= 0) và không trao đổi nhiệt đối với môi trường (Q = 0) gọi làhỗn hợp đoạn nhiệt, khi đó phương trình định luật nhiệt động I cho các quá trìnhhỗn hợp

2.1 Hỗn hợp trong thể tích đã cho

Giả sử cho một bình kín với thể tích V bên trong có một vách ngăn N (hình2.6) Phía trái vách ngăn chứa chất khí 1 có V1, T1, p1; bên phải vách ngăn chứachất khí 2 có V2, T2, p2 Khi bỏ vách ngăn, hai chất khí sẽ hỗn hợp với nhau ở

đây cần xác định nhiệt độ T, áp suất p của hỗn hợp khi đã biết thể tích của hỗnhợp

Hình 2.6 Hỗn hợp trong thể tích đã cho

1 V1 1 2 V2 2

V

g C T g C TT

i Vi

i 1

g C TT

1 2

I I I

Hình 2.7 Hỗn hợp theo một dòng Hình 2.8 Đồ thị I-S của hơi nước

i 1 1 2 2

G G i G i

1 1 2 2 n

i pi

i 1

g C TT

có khối lượng Ti Ta cần xác định nhiệt độ T, áp suất p của hỗn hợp

Ta nhận thấy trước khi xẩy ra quá trình hỗn hợp hệ gồm khối khí có trongbình (năng lượng toàn phần U1) của dòng khí nạp thêm vào (năng lượng toànphần Ii) Vậy năng lượng toàn phần của hệ trước khi hỗn hợp: W1 = U1 + I1 Saukhi xẩy ra quá trình hỗn hợp, hỗn hợp khí trong bình có năng lượng toàn phần

W2 = U Theo phương trình định luật nhiệt động I cho quá trình hỗn hợp ta có:

Sự chuyển động của dòng khí gọi là sự lưu động ở đây ngoài các thông sốtrạng thái đã nói như áp suất, nhiệt độ, thể tích riêng, người ta còn cần biếtthêm một số thông số nữa là tốc độ của dòng khí, kí hiệu là .

a) Những giả thuyết khi nghiên cứu lưu động:

- Lưu động một chiều: lưu động trong đó các thông số trạng thái không đổitheo tiết diện ngang, chỉ thay đổi theo chiều chuyển động

- Lưu động ổn định: lưu động khi các thông số trạng thái không đổi theothời gian

- Lưu động đẳng entropi: lưu động đoạn nhiệt thuận nghịch (bỏ qua nhiệt

ma sát) trong đó entropi không đổi, S = const

- Lưu động không trao đổi công với môi trường: A = 0

- Lưu động liên tục: lưu động trong đó các thông số trạng thái thay đổi mộtcách liên tục không bị ngắt quãng hay đột biến

b) Phương trình liên tục

Với lưu động ổn định và liên tục lưu lượng Q (kg/s) của khí qua các tiếtdiện ngang của ống sẽ không đổi Ví dụ qua tiết diện I lưu lượng là Q1, qua tiếtdiện II lưu lượng là Q2, vậy ta có phương trình liên tục:

Từ biểu thức a kpv  kRT ta thấy tốc độ âm thanh ngoài việc phụthuộc vào bản thân của môi trường (chất khí) còn phụ thuộc vào trạng thái củamôi trường.

Số Mach (ký hiệu là M): là tỷ số giữa tốc độ của dòng khí và tốc độ của âm

thanh truyền đi trong môi trường, khi đó:

M

a





Ta thấy có thể xẩy ra mấy trường hợp sau:

- Nếu < a tức là M < 1, khi đó gọi là lưu động dưới âm

- Nếu = a tức là M = 1, khi đó gọi là lưu động bằng âm

- Nếu > a tức là M > 1, khi đó gọi là lưu động trên âm (hay vượt âm)Dòng khí lưu động trong ống là một hệ hở (với giả thiết khí không thựchiện công ngoài đối với môi trường), do đó hai dạng phương trình định luật nhiệt

động I được dùng để nghiên cứu về lưu động:

dngược dấu với dp Vậy có mấy trường hợp sau:

- Khi d > 0 (tốc độ tăng) thì dp < 0 (áp suất giảm) ống thoả mãn điềukiện này gọi là ống tăng tốc ống tăng tốc được sử dụng trong tuabin hơi, tuabinkhí, động cơ phản lực, để làm tăng động năng của dòng khí

- Khi d < 0 (tốc độ giảm) thì dp > 0 (áp suất tăng) ống thoả mãn điềukiện này gọi là ống tăng áp ống tăng áp được sử dụng trong máy nén ly tâm,

động cơ phản lực, để làm tăng áp suất của dòng khí

b) Quan hệ giữa tốc độ và hình dạng của ống

Hình dạng ống được thể hiện qua tiết diện S của ống Từ phương trình liêntục S const

v



và các mối quan hệ a kpv  kRT,    d vdp ta có thểrút ra được kết quả sau:

2

dS d

(M 1)S

- Nếu M2 – 1 < 0 tức là M < 1 suy ra dS < 0 (tiết diện giảm) ống tăng tốc

ở đây được gọi là ống tăng tốc nhỏ dần (có tiết diện nhỏ dần)

- Nếu M2 – 1 > 0 tức là M > 1 suy ra dS > 0 (tiết diện tăng) ống tăng tốc

ở đây được gọi là ống tăng tốc lớn dần (có tiết diện lớn dần)

- Nếu M2– 1 = 0 tức là M = 1 suy ra dS = 0 (tiết diện không đổi) Nghĩa lànơi mà= a thì tiết diện không đổi

Vì ống tăng tốc nhỏ dần không thể đạt được tốc độ lớn hơn tốc độ âm thanhnên người ta thường ghép ống tăng tốc nhỏ dần và lớn dần vào nhau gọi là ốngtăng tốc hỗn hợp (hay gọi là ống Laval) Với ống Laval dòng khí khi vào ống cótốc độ nhỏ hơn tốc độ âm thanh

Với ống tăng áp, vì d < 0 nên df ngược dấu với (M2 - 1) Các kết quả nhận

được ở đây sẽ ngược với kết quả ở trên ứng với ống tăng tốc Nghĩa là khi M > 1ống tăng áp có dạng nhỏ dần, khi M < 1 ống có dạng lớn dần và khi kết hợp haidạng này với nhau ta có ống tăng áp hỗn hợp hay ống tăng áp Laval

c) Xác định tốc độ dòng khí tại cửa ra của ống tăng tốc

ở đây:2 (m/s); i1, i2 (J/kg)

Entanpi i1 được xác định khi biết hai thông số trạng thái độc lập, i2 được xác

định khi biết một thông số ở trạng thái cuối và đặc tính của quá trình lưu động

ở đây 2 (m/s); R (J/kg.oK); p1, p2 (N/m2).

Đ4 Quá trình tiết lưu của khí hoặc hơi

4.1 Đặc điểm của quá trình tiết lưu

Thực nghiệm cho thấy, chất khí hoặc hơi (hay chất lỏng) khi lưu động đoạnnhiệt trong ống mà gặp trở ngại đột ngột do tiết diện bị thu hẹp thì áp suất phíasau tiết diện bị thu hẹp p2 sẽ nhỏ hơn áp suất phía trước p1 Sự giảm áp suất này(p2 < p1) gọi là quá trình tiết lưu

Trong thực tế tiết diện bị thu hẹp đột ngột là do ta vặn các van, các lá chắnhoặc các bộ phận khác trên đường ống Sự giảm áp suất này không phải để sinhcông hữu ích tác dụng tới môi trường (công ngoài ở đây An = 0) mà để thắng lựccản ma sát do dòng xoáy ở phía sau tiết diện bị thu hẹp Vậy môi chất khi tiếtlưu là hệ hở khi không trao đổi nhiệt và công với môi trường Từ phương trình

định luật nhiệt động I cho dòng khí ta có:

Đối với khí lý tưởng vì di = CpdT = 0 nên suy ra khi tiết lưu nhiệt độ không

đổi Nhiệt độ của khí thực sẽ thay đổi ra sao khi tiết lưu, phần dưới sẽ nghiên cứuvấn đề này

4.2 Hiệu ứng Joule – Thomson

Nhiệt độ của khí thực (hoặc chất lỏng) sẽ thay đổi ra sao khi áp suất trongquá trình tiết lưu giảm Điều này Joule-Thomson đã nghiên cứu và đưa ra kháiniệm hiệu ứng Joule-Thomson:

i

dT( )dp

 

ở đây “i” có nghĩa là entanpi không đổi Ta biết rằng khi tiết lưu áp suấtgiảm nên dp < 0, vậy có dấu ngược với dT và có các trường hợp sau:

- Khi > 0 thì dT < 0, nghĩa là nhiệt độ của môi chất giảm khi tiết lưu

- Khi  = 0 thì dT = 0, nghĩa là nhiệt độ của môi chất không đổi khi tiếtlưu Nhiệt độ này gọi là nhiệt độ chuyển biến, ký hiệu Tcb

- Khi < 0 thì dT > 0, nghĩa là nhiệt độ của môi chất tăng khi tiết lưu.Khi nghiên cứu ta thấy ứng với mỗi giá trị áp suất môi chất có hai giá trịnhiệt độ chuyển biến: nhiệt độ chuyển biến pha hơi h

4.3 Tiết lưu chất lỏng ở nhiệt độ gần nhiệt độ bão hoà

Chúng ta biết rằng nhiệt độ bão hoà (nhiệt độ sôi) phụ thuộc vào áp suất ts=f(p), khi áp suất giảm p2 > p1 kéo theo nhiệt độ sôi giảm ts(p2) < ts(p1) Như vậychất lỏng bão hoà hoặc gần bão hoà có nhiệt độ ban đầu bằng hoặc gần bằng

ts(p1), sau khi tiết lưu sẽ biến thành hơi bão hoà ẩm ở nhiệt độ ts(p2) nhỏ hơnnhiệt độ môi chất lỏng ban đầu Tính chất này được ứng dụng trong máy lạnhthông thường (máy đá, máy kem, tủ lạnh,…).

- Giai đoạn đốt nóng không khí: Giai đoạn này không khí nhận nhiệt, nhiệt

độ của không khí tăng,giảm nhưng độ chứa hơi d = const

- Giai đoạn sấy: Lúc này cho không khí được đốt nóng tiếp xúc với vật sấylàm hơi nước trong vật sấy bay hơi Đặc điểm của giai đoạn này là A = const(gọi là quá trình sấy lý thuyết), vì không khí nóng nhả nhiệt cho vật sấy nhưnglại nhận chính lượng nhiệt đó (khi bỏ qua tổn thất nhiệt) từ hơi nước mang theo

Cần xác định các đại lượng sau trong quá trình sấy:

- Lượng không khí khô Gkcần để làm bay hơi 1 kg nước trong vật sấy.Khi sấy, không khí nhận một lượng hơi nước từ vật sấy bốc lên Gn:

Gn= d3– d1 (kgh/kgk)

Hình 2.11 Xác định trạng thái của không khí ẩm Hình 2.12 Các giai đoạn sấy

Lượng không khí khô cần thiết làm bay hơi 1 kg nước:

q = A2 – A1 (kJ/kgk)

- Lượng nhiệt cần để làm bay hơi 1 kg nước trong vật sấy:

2 1 k

là quá trình làm lạnh không khí Trong quá trình đốt nóng, entanpi của khôngkhí tăng, nhiệt độ tăng, độ ẩm tương đối giảm Ngược lại trong quá trình làmlạnh, entanpi của không khí giảm, nhiệt độ giảm, độ ẩm tương đối tăng Lượngnhiệt cần để đốt nóng hoặc làm lạnh 1 kg không khí khô được tính theo côngthức:

q = A2 – A1 (kJ/kgk)

5.3 Quá trình tăng ẩm (phun ẩm), giảm ẩm (hút ẩm) của không khí

Quá trình tăng ẩm là quá trình tăng độ chứa hơi d của không khí và ngượclại quá trình giảm ẩm là quá trình giảm độ chứa hơi của không khí,

Nguyên tắc chung của tăng ẩm là đưa thêm hơi nước vào không khí Cónhiều cách đưa thêm hơi nước vào không khí ví dụ như phun nước vào khôngkhí