giao trinh ky thuat nhiet

Kỹ Thuật Nhiệt • • • • • • • • Mã môn học: 074001 Tên tiếng Anh: Thermo Engineering Số tín chỉ: 02 Thời khóa biểu: Thứ Sáu – Tiết 6,7 – Phòng B.205 Thứ Sáu – Tiết 8,9 – Phòng B.209 Giảng viên: Th.S Trần Vũ Hải Đăng Cellphone No.: 0909.89.35.39 Email: haidangtranvu@gmail.com Forum: http://kdongtau.forumotion.com Giáo Trình Học liệu bắt buộc: • [1] Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú, 2009 “Cơ sở kỹ thuật nhiệt”, NXB Giáo Dục • [2] Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú, 2009 “Bài tập Cơ sở kỹ thuật nhiệt” NXB Giáo Dục Học liệu tham khảo: • [3] Nguyễn Bốn, Hồng Ngọc Đồng, 1999 “Nhiệt kỹ thuật”, NXB Giáo Dục • [4] Bùi Hải, Hoàng Ngọc Đồng, 1999 “Bài tập kỹ thuật nhiệt”, NXB Khoa học & Kỹ thuật PHẦN NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Chương 1: Những khái niệm & Phương trình trạng thái mơi chất thể khí 1.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ NHIỆT • Thiết bị Nhiệt: - Động nhiệt - Máy lạnh / Bơm nhiệt Động Nhiệt • Máy hơi, động đốt trong, Tuabin hơi, Tuabin khí, động phản lực, tên lửa, • Biến nhiệt thành điện • Ngun lý: mơi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng, chuyển hóa phần nhiệt thành nhả phần nhiệt lại cho nguồn lạnh tiếp tục chu trình • Nguồn nóng: buồng đốt, phản ứng hạt nhân, xạ nhiệt, địa nhiệt, • Nguồn lạnh: khơng khí nước môi trường Bơm nhiệt / Máy lạnh • Ngun lý: Mơi chất nhận nhiệt từ nguồn lạnh, đem nhiệt lượng với phần lượng bên ngồi hỗ trợ truyền cho nguồn nóng • Năng lượng bên ngoài: Cơ năng, Điện năng, Nhiệt năng, Một số khái niệm định nghĩa • Hệ thống nhiệt: tập hợp đối tượng tách để nghiên cứu tượng nhiệt Có thể chia thành hệ thống kín, hệ thống hở, hệ thống lập, hệ thống đoạn nhiệt, • Nguồn nhiệt: vật trao đổi nhiệt với mơi chất Nguồn có nhiệt độ cao nguồn nóng, nguồn có nhiệt độ thấp nguồn lạnh • Mơi chất: chất mà thiết bị dùng để truyền tải chuyển hóa nhiệt với dạng lượng khác Thường dùng môi chất pha (khí) có khả co dãn lớn 1.2 SỰ THAY ĐỔI TRẠNG THÁI & CHUYỂN PHA CỦA ĐƠN CHẤT • Các q trình: - Nóng chảy đơng đặc - Hóa ngưng tụ - Thăng hoa ngưng kết • Các trạng thái: - Nước sơi (nước bão hòa) - Hơi bão hòa khơ - Hơi bão hòa ẩm - Nước chưa sơi - Hơi q nhiệt - Khí lý tưởng khí thực 1.3 THƠNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MƠI CHẤT • thơng số trạng thái nhiệt kỹ thuật: - Nhiệt độ - Áp suất - Thể tích riêng / Khối lượng riêng • Ngồi thơng số nội năng, Entanpi, Entrơpi, Execgi Nhiệt độ & Định luật nhiệt thứ khơng • Nhiệt độ biểu thị mức độ nóng / lạnh mơi chất • Định luật nhiệt thứ khơng: Nếu t1= t3 t2= t3 t1= t2 • Thang nhiệt độ bách phân Celcius (toC) • Thang nhiệt độ tuyệt đối:Kelvin (TK), Rankine (ToR), Fahrenheit (toF) • toC = TK – 273 = 5/9 (toF – 32) = 5/9 ToR – 273 Áp suất tuyệt đối • Áp suất tuyệt đối p lực mơi chất tác dụng thẳng góc lên đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc • Đơn vị áp suất tuyệt đối thường dùng N/m2 • Các đơn vị khác: bar, mmHg, mmH2O, atm • 1Pa=1N/m2 =1/9,81 mmH2O =1/133,32 mmHg =10-5 bar • atm = 760 mmHg Áp suất tuyệt đối • p = pk + pd (p lớn áp suất khí trời) • p = pk - pck (p nhỏ áp suất khí trời) Trong đó: p : áp suất tuyệt đối pk: áp suất khí trời pd: áp suất dư pck: áp suất chân khơng Nội • Là tổng nội động nội • Ký hiệu: U (đối với Gkg), u (đối với 1kg) • Đơn vị: 1kJ = 0,239 kcal = 277,78.10-6 kWh = 0,948 BTU = 0,527 CHU Entanpi • Đối với kg môi chất: i = u + p.v • Đối với G kg môi chất: I = G.i = U + p.V Entrơpi • Là thơng số trạng thái đặc trưng cho trình nhận / thải nhiệt • Ký hiệu: s • Đơn vị: thường kJ Execgi • Là lượng có ích tối đa mà mơi chất nhận để tiến đến trạng thái cân với mơi trường bên ngồi • Ký hiệu: e • e = (i – i0) – T0 (s – s0) i: entanpi trạng thái cần xác định i0: entanpi trạng thái cân T0: Nhiệt độ tuyệt đối trạng thái cân s : entrôpi trạng thái cần xác định s0: entrôpi trạng thái cân 1.4 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MƠI CHẤT • Định luật pha Gibbs: V=C+2–P V: số thông số độc lập tối thiểu cần thiết để xác định trạng thái C: số thành phần hệ P: số pha tồn hệ • Ví dụ: Số thơng số tối thiểu cần biết để xác định trạng thái môi chất đơn pha là: V = C + – P = + – = Phương trình trạng thái khí lý tưởng • pV = GRT p – áp suất tuyệt đối (N/m2) T – nhiệt độ tuyệt đối (K) V – thể tích mơi chất (m3) G – khối lượng môi chất (kg) R – số chất khí = 8314/μ (μ phân tử lượng mơi chất) Home Works • 1, 2, 3, trang 152 – sách Cơ sở Kỹ thuật Nhiệt • Tồn 20 tập Chương – sách Bài tập sở kỹ thuật Nhiệt • Đọc trước Chương – Định luật nhiệt thứ & Các q trình nhiệt mơi chất pha khí Chương 2: Định luật nhiệt thứ & Các q trình nhiệt mơi chất pha khí 2.1 NHIỆT, CƠNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH • Nhiệt lượng: lượng xuyên qua bề mặt ranh giới môi chất mơi trường có chênh lệch nhiệt độ Đơn vị: kJ, kcal, • Cơng: Cơng thay đổi thể tích (cơng dãn nở), Cơng kỹ thuật Tính nhiệt lượng theo thay đổi nhiệt độ • Nhiệt dung riêng ‘c’ nhiệt lượng cần thiết để đưa nhiệt độ đơn vị môi chất tăng thêm độ theo q trình • Dựa vào đặc điểm trình đơn vị đo lường, ta chia ra:  Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp: cp (J/kg.K)  Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích: cv (J/kg.K)  Nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp: c’p (J/m3tc.K)  Nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích: c’v (J/m3tc.K)  Nhiệt dung riêng kmol đẳng áp: µcp (J/mol.K)  Nhiệt dung riêng kmol đẳng tích: µcv (J/mol.K) Mối quan hệ loại nhiệt dung riêng cp c p   k cv cv cv cp k : số mũ đoạn nhiệt khí nguyên tử: k = 1,67 khí nguyên tử: k = 1,4 khí ngun tử: k = 1,3 • Cơng thức Mayer khí lý tưởng: c p  cv  R  8314  Mối quan hệ loại nhiệt dung riêng • Từ cơng thức trên, ta có: R k cv  cp  R k 1 k 1 • Nhiệt dung riêng q trình đa biến có số mũ n là: c  cv nk n 1 Nhiệt dung riêng khí lý tưởng Loại khí k cv ( kJ ) kmol.k c p ( kJ ) kmol.K Khí nguyên tử 1,67 12,6 20,9 Khí nguyên tử 1,4 20,9 29,3 Khí nguyên tử 1,3 29,3 37,7 Khi yêu cầu độ xác cao, coi nhiệt dung riêng có quan hệ bậc (đường thẳng) với nhiệt độ theo công thức: c  a0  a1t Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng q 1;   cdt • Nếu c = const: q1;  c(t  t1 ) t t   q1;2  a0  a1  t2  t1    • Nếu c = a0 + a1t: Tính nhiệt lượng theo thay đổi Entropi • Nhiệt lượng cần thiết để đưa đơn vị môi chất từ trạng thái sang trạng thái 2: s2 q1;2   dq   T ds s1 Cơng thay đổi thể tích • Là cơng mơi chất thực có thay đổi thể tích • Cơng thay đổi thể tích mơi chất thể tích thay đổi từ v1 đến v2: v2 l   dl   pdv v1 10/19/2009 CHU TRÌNH TUABIN KHÍ CẤP NHIỆT ĐẲNG TÍCH CHU TRÌNH TUABIN KHÍ CẤP NHIỆT ĐẲNG TÍCH 1-2: nén đoạn nhiệt 2-3: cấp nhiệt đẳng tích 3-4: giãn nở đoạn nhiệt 4-1: nhả nhiệt đẳng áp CHU TRÌNH TUABIN KHÍ CẤP NHIỆT ĐẲNG TÍCH • Tỷ số tăng áp: p  p1 Tỷ số tăng áp cấp nhiệt:  p3 p2 • Nhiệt lượng cấp vào: q1  cv (T3  T2 ) • Nhiệt lượng thải ra: q2  c p (T4  T1 ) • Hiệu suất nhiệt:  t   k ( k  1) (   1)  k 1 k 10/19/2009 5.4 CHU TRÌNH RANKINE 5.4 CHU TRÌNH RANKINE 5.4 CHU TRÌNH RANKINE • 1-2: giãn nở đoạn nhiệt 2-3: nhả nhiệt đẳng áp • 3-3’: nén đoạn nhiệt 3’-1: cấp nhiệt đẳng áp 10/19/2009 5.4 CHU TRÌNH RANKINE • Nhiệt lượng cấp vào: q1  i1  i3' • Nhiệt lượng thải ra: q2  i2  i3 • Hiệu suất nhiệt chu trình: t  i1  i2 i1  i3 HOME WORKS • Bài 24, 25 trang 158 – sách Cơ sở Kỹ thuật Nhiệt • Chương – sách Bài tập Kỹ thuật Nhiệt: tùy chọn 11/5/2009 Phần 2: TRUYỀN NHIỆT Chương 6: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN NHIỆT • Dẫn nhiệt • Trao đổi nhiệt đối lưu • Trao đổi nhiệt xạ 11/5/2009 TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ • Là tập hợp tất giá trị nhiệt độ tức thời khoảng thời gian xét điểm hệ vật khảo sát • Dùng để mô tả phân bố nhiệt độ không gian theo thời gian • Biểu thức: t  t ( x, y , z , ) • Phân loại: - Ổn định / Không ổn định - chiều / nhiều chiều MẶT ĐẲNG NHIỆT • Tập hợp điểm có giá trị nhiệt độ thời điểm • Các mặt đẳng nhiệt khơng cắt GRADIENT NHIỆT ĐỘ (gradt) • Là vectơ có: - Phương trùng với phương pháp tuyến mặt đẳng nhiệt - Chiều chiều tăng nhiệt độ - Độ lớn: gradt  t n t n :đạo hàm nhiệt độ theo phương pháp tuyến n 11/5/2009 HỆ SỐ DẪN NHIỆT  • Là thơng số vật lý vật liệu, đặc trưng cho khả dẫn nhiệt vật liệu, đơn vị W/moK • Phụ thuộc vào loại vật liệu, cấu trúc nó, độ ẩm, áp suất nhiệt độ, biểu diễn công thức:   0 (1   t ) 0 :hệ số dẫn nhiệt 0o C : số phụ thuộc vào loại vật liệu cụ thể ĐỊNH LUẬT FOURIER • Mật độ dòng nhiệt (q): lượng nhiệt truyền qua đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt vng góc với hướng truyền nhiệt đơn vị thời gian • Dòng nhiệt (Q): lượng nhiệt truyền qua toàn diện tích bề mặt đẳng nhiệt đơn vị thời gian • Định luật Fourier: Mật độ dòng nhiệt tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ q   gradt   t n 12/3/2009 Chương 7: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU ĐỊNH NGHĨA • Trao đổi nhiệt đối lưu (tỏa nhiệt) tượng dẫn nhiệt từ bề mặt vật rắn vào môi trường chuyển động chất lỏng hay chất khí • Phân loại: Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH Nguyên nhân gây chuyển động: • Chuyển động cưỡng • Chuyển động tự nhiên (α cưỡng >>> α tự nhiên) 12/3/2009 CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI Q TRÌNH Chế độ chuyển động: • Re < 2.300: Chảy tầng d Re  • Re > 10 : Chảy rối v • 2.300< Re < 104: Chảy tầng + chảy rối CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI Q TRÌNH Tính chất vật lý chất lỏng: • Hệ số dẫn nhiệt λ • Nhiệt dung riêng đẳng áp cp • Khối lượng riêng ρ • Độ nhớt động học v CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH Thơng số hình học chất lỏng: • Mơ tả vị trí, kích thước, hình dạng bề mặt tỏa nhiệt 12/3/2009 CÔNG THỨC NEWTON Q  F (t w  t f ) • • • • • Q: lượng nhiệt trao đổi đơn vị thời gian F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Tw: nhiệt độ trung bình bề mặt vật rắn Tf: nhiệt độ trung bình mơi trường α: hệ số tỏa nhiệt CÁC TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG CHẤT LỎNG CHẢY BÊN TRONG ỐNG Khi chất lỏng chảy rối:  Pr f   Nu f  0,021 Re 0f ,8 Pr f0, 43   Prw  0, 25  l R • εl: hệ số hiệu chỉnh độ dài đường ống • Khi l/d > 50 εl = • Khi l/d ≤ 50 εl tra bảng 12/3/2009 CHẤT LỎNG CHẢY BÊN TRONG ỐNG • εR: hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng độ cong ống • Ống thẳng: εR = • Ống cong: εR = 1+1,77 d/R (R: bán kính uốn cong ống) CHẤT LỎNG CHẢY BÊN TRONG ỐNG Khi chất lỏng chảy tầng:  Pr f   Nu f  0,15 Re 0f ,33 Pr 0f , 43 Gr ,1   Prw  0, 25 l • Khi l/d > 50 εl = • Khi l/d ≤ 50 εl tra bảng CHẤT LỎNG CHẢY NGANG QUA CHÙM ỐNG Tỏa nhiệt đối lưu chùm ống xếp song song: 12/3/2009 CHẤT LỎNG CHẢY NGANG QUA CHÙM ỐNG Tỏa nhiệt đối lưu chùm ống xếp so le: CHẤT LỎNG CHẢY NGANG QUA CHÙM ỐNG • i: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào bước ống • : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc góc va, tính theo bảng sau THE END 12/10/2009 Chương 8: TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ ĐỊNH NGHĨA • Trao đổi nhiệt xạ tượng trao đổi nhiệt vật phát xạ vật hấp thụ xạ thông qua mơi trường truyền sóng điện từ CÁC KHÁI NIỆM • Khi tia sóng điện từ mang lượng Q chiếu vào bề mặt vật, vật hấp thụ phần lượng (QA) để biến thành nội năng, phần lượng (QR) bị phản xạ theo tia phản xạ phần lượng lại (QD) truyền xuyên qua vật môi trường khác theo tia khúc xạ 12/10/2009 CÁC KHÁI NIỆM Phương trình cân lượng là: Q = QA + QR + QD Q A Q R QD  1 Q  Q  Q  A R  D Ta gọi: QA/Q A: hệ số hấp thụ QR/Q R: hệ số phản xạ QD/Q D: hệ số xuyên qua CÁC KHÁI NIỆM Nếu: • A = 1: Vật đen tuyệt đối • R = 1: Vật trắng tuyệt đối • D = 1: Vật tuyệt đối Chương 9: THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 12/10/2009 KHÁI NIỆM • Thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị thực q trình trao đổi nhiệt chất mang nhiệt, thường chất lỏng, khí PHÂN LOẠI Căn vào nguyên lý hoạt động đặc điểm trao đổi nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt phân thành loại: • Loại vách ngăn cách • Loại hồi nhiệt • Loại hỗn hợp TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI VÁCH NGĂN CÁCH • Chất lỏng nóng chất lỏng lạnh chuyển động không gian cách biệt bề mặt kim loại, trình trao đổi nhiệt chất lỏng nóng lạnh thực thơng qua bề mặt ngăn cách 12/10/2009 TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI HỒI NHIỆT • Thiết bị loại có bề mặt tiếp xúc với chất lỏng nóng nhận nhiệt nóng lên, sau tiếp xúc với chất lỏng lạnh nhả nhiệt cho chất lỏng lạnh Q trình truyền nhiệt khơng ổn định có chu kỳ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI HỖN HỢP • Các chất lỏng nóng lạnh trao đổi nhiệt cho tạo thành dung dịch hỗn hợp Fan motor Sprinkler pipes Housing panel & water basin Inlet & Outlet pipes PVC Filler THE END