Whereas the distribution of these various types of energy is clearly of important to the engineer, who wants to obtain as much useful work as possible from a given quantity of fuel, th[r]
(1)NHA TRANG UNIVERSITY Faculty of Mechanical Engineering
Assoc Prof Nguyễn Văn Nhận
Engineering Thermodynamics
(Textbook Compiled for Students at the Faculty of Mechanical Engineering)
(2)Our modern technological society is based largely on the replacement of human and animal labor by animate, power-producing machinery Examples of such machinery are steam power plants that generate electricity, locomotives that pull freight and passenger trains, and internal combustion engines that power automobiles In each of these examples, working fluids such as steam and gases are generated by combustion of a fuel-air mixture and then are caused to act upon mechanical devices to produce power Predictions of how much energy can be obtained from the working fluid and how well the extraction of energy from the working fluid can be accomplished are the province of an area of engineering called thermodynamics
Thermodynamics is based on two experimentally observed laws The first is the law of conservation of energy, familiar to the student from the study of classical mechanics Whereas in mechanics only potential and kinetic energies are involved, in thermodynamics the law of conservation of energy is extended to include thermal and other forms of energy When an energy transformation occurs, the same total energy must be present after the transformation as before; in other words, according to the first law, all the different types of energy must be accounted for and balanced out when a transformation occurs For example, in an internal combustion engine, a specific quantity of thermal energy is released due to the combustion of gasoline in the engine cylinders Some of this energy goes out the tailpipe as heated exhaust gases and is lost; some is converted to useful work in moving the car; and some is dissipated to the air via the cooling system Whereas the distribution of these various types of energy is clearly of important to the engineer, who wants to obtain as much useful work as possible from a given quantity of fuel, the first law merely states that energy can be neither created nor destroyed; it does not provide information as to the ultimate distributions of the energy in its various forms
The second law provides further information about energy transformations For example, it places a limitation on the amount of useful mechanical work that can be obtained from combustion of the fuel in an internal combustion engine The first law states that energy must be conserved Thus, according to the first law, all the thermal energy available from combustion of the fuel could be converted to useful mechanical work with no losses Intuitively, however, we know that thermal and other losses are present in the engine The second law provides a quantitative prediction of the extent of these losses
(3)REFERENCE
1 Bùi Hải, Trần Thế Sơn (2002), Kỹ thuật nhiệt, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội
2 Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú (2003), Bài tập sở Kỹ thuật nhiệt, NXB Giáo dục
3 Trần Quang Nhạ, Bùi Hải, Hồng Đình Tín, Ng Hồi Văn (1978), Bài tập Nhiệt kỹ thuật, NXB Đại học THCN
(4)Chương
High-temperature reservoir (T1)
High-temperature reservoir (T1)
KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1 THIẾT BỊ NHIỆT
Thiết bị nhiệt loại thiết bị có chức biến đổi nhiệt Thiết bị nhiệt chia thành nhóm : động nhiệt máy lạnh Động nhiệt (ví dụ : động nước, turbine khí, động xăng, động diesel, động phản lực, v.v.) có chức biến đổi nhiệt thành Máy lạnh có chức chuyển nhiệt từ nguồn lạnh (ví dụ : phịng lạnh) đến nguồn nóng (ví dụ : khí quyển) Qout Qin Wout
Low-temperature reservoir (T2)
Heat Engine
Qout
Qin
Wout
H 1.1-1 Nguyên lý hoạt động turbine nước 1- Nồi hơi, 2- Turbine, 3- Thiết bị ngưng tụ, 4- Bơm nước
1
4
Qout Qin
Win
Low-temperature reservoir (T2)
Refrigerator Qout
Qin
Win
H 1.1-2 Nguyên lý hoạt động máy lạnh bơm nhiệt dùng tác nhân lạnh chất lỏng dễ bay
(5)1.2 HỆ NHIỆT ĐỘNG
Hệ nhiệt động(HNĐ) vật nhiều vật tách riêng khỏi vật khác để nghiên cứu tính chất nhiệt động chúng Tất vật ngồi HNĐ gọi mơi trường xung quanh Vật thực tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động môi trường xung quanh gọi ranh giới HNĐ.
Hệ nhiệt động phân loại sau :
Rigid vessel System boundaries Water
vapor
Liquid water
Cylinder System boundaries Gases
Piston
Electrical power in
Water pump
a) b)
c)
H 1.2-1 Hê nhiệt động
a) HNĐ kín với thể tích khơng đổi b) HNĐ kín với thể tích thay đổi
c) HNĐ hở
• Hệ nhiệt động kín - HNĐ khơng có trao đổi vật chất hệ môi trường xung quanh
• Hệ nhiệt động hở - HNĐ có trao đổi vật chất hệ môi trường xung quanh
(6)BÀI TẬP CHƯƠNG
Bài tập 5-1 : Chu trình carnot thực nhờ nguồn nhiệt có nhiệt độ Tmax
= 900 0K, Tmin = 300 0K Áp suất lớn mà chu trình đạt pmax = 60 bar, áp suất
nhỏ pmin = bar MCCT khí lý tưởng với m = kg k = 1,4
1) Biểu diễn chu trình đồ thị cơng đồ thị nhiệt ?
2) Thông số trạng thái (p, v, T) điểm đặc trưng chu trình ? 3) Lượng nhiệt mà MCCT nhận thải (q1, q2) ?
4) Cơng chu trình (w) ? 5) Hiệu suất nhiệt (η)?
Bài tập 5-2 : Máy nén cấp lý tưởng nén không khí từ áp suất p1 = at, nhiệt độ t1 = 27 0C đến áp suất p2 = at Năng suất máy nén V = 100 m3/h, độ tăng nhiệt độ
nước làm mát máy nén ∆tm = 13 0C, nhiệt dung riêng nước cm = 4180 J/kg.deg Xem
quá trình nén đa biến có n = 1,2, khơng khí khí lý tưởng có khối lượng phân tửµ = 29, nhiệt dung riêng mol đẳng tích cµv = 20,9 kJ/kmol.deg, nhiệt dung riêng mol đẳng áp
cµp = 29,3 kJ/kmol.deg, số nén đoạn nhiệt k = 1,4
1) Biểu diễn chu trình nhiệt động đồ thị cơng ? 2) Xác định công suất lý thuyết máy nén (N) ? 3) Xác định lưu lượng nước làm mát máy nén (mm) ?
Bài tập 5-3 : Máy nén cấp có tỷ số thể tích chết Vc dung tích cơng
tác Vs ω = Vc/Vs = 0,05 Nén lượng khơng khí V = 400 m3/h từ áp suất pa = bar,
nhiệt độ ta = 20 0C đến áp suất pc = bar Các trình nén dãn nở trình đa
biến với n = 1,3 Hiệu suất hiệu dụng máy nén ηN = 0,7 Xem khơng khí lý tưởng có khối lượng phân tửµ = 29
1) Biểu diễn chu trình đồ thị công ?
2) Xác định công suất tiêu thụ cho máy nén (N) ?
3) Xác định thể tích riêng khơng khí điểm đặc trưng ? 4) Hiệu suất thể tích máy nén (ηv) ?
Bài tập 5-4 : Động xăng xylanh có dung tích cơng tác VS = 0,006 m3, thể tích
buồng đốt VC = 0,001 m3 Chu trình trình lý thuyết bao gồm trình : nén đoạn
(7)ta = 20 0C, pa = bar, pz = 25 bar Môi chất cơng tác khí lý tưởng có sốđoạn nhiệt
k = 1,4, khối lượng phân tửµ = 29, nhiệt dung riêng đẳng tích cµv = 20,9 kJ/kmol.deg
1) Biểu diễn chu trình đồ thị cơng đồ thị nhiệt ?
2) Thông số trạng thái (p, v, T) điểm đặc trưng chu trình ? 3) Lượng nhiệt mà MCCT nhận thải (Q1, Q2) ?
4) Cơng chu trình (W) ? 5) Hiệu suất nhiệt (η)?
Bài tập 5-5 : Chu trình lý thuyết động diesel bao gồm trình : nén
đoạn nhiệt a - c, cấp nhiệt đẳng áp c - z, dãn nở đoạn nhiệt z - b, nhả nhiệt đẳng tích b - a Mơi chất cơng tác khí lý tưởng có khối lượng m = kg, phân tử lượng µ = 29, nhiệt dung riêng đẳng áp cµp = 29,3 kJ/kmol.deg, sốđoạn nhiệt k = 1,4
Biết : pa = bar; ta = 20 0C; tỷ số nén ε = va/vc = 12,7; tỷ số dãn nở ban đầu ρ =
vz/vc =
1) Biểu diễn chu trình đồ thị công đồ thị nhiệt ?
2) Thông số trạng thái (p, v, T) điểm đặc trưng chu trình ? 3) Lượng nhiệt mà MCCT nhận thải (Q1, Q2) ?