Giáo trình Môn học: Nhiệt kỹ thuật - Nghề: Công nghệ ô tô

Sơ đồ nguyên lý của máy lạnh có máy nén được thể hiện trên hình 416.Hơi môi chất ở trạng thái bảo hoà khô từ buồng lạnh IV có áp suất p1 được máy nén hút vào và nén đoạn nhiệt đến áp suấ[r]

1 BỘ LAO ĐỘNG NG THƯƠNG BINH VÀ X XÃ HỘI TỔ ỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Môn họọc: Nhiệt kỹ thuật NGHỀ:: CÔNG NGH NGHỆ Ô TÔ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban Ban hành kèm theo Quy Quyết định số: ) HÀ NỘI 2012 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN: Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể phép dùng nguyên trích dùng cho các mục đích đào tạo và tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm MÃ TÀI LIỆU: MH 14 MỤC LỤC CHƯƠNG KHÁI NIỆM VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN 10 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 10 1.1.1 Nguồn nhiệt 10 1.1.2 Môi chất 10 1.1.3 Trạng thái - 10 1.1.4 Thông số trạng thái 10 1.1.5 Máy nhiệt - 10 1.1.6 Động nhiệt 10 1.1.7 Máy lạnh 10 1.1.8 Bơm nhiệt - 10 1.1.9 Quá trình nhiệt động 11 1.1.10 Nước sôi - 11 1.1.11 Hơi bão hòa khô 11 1.1.12 Hơi bão hòa ẩm 11 1.1.13 Nước chưa sôi 11 1.1.14 Hơi quá nhiệt - 11 1.1.15 Công - 11 1.2 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN - 13 1.2.1 Thể tích riêng v 13 1.2.2 Áp suất p 13 1.2.3 Nhiệt độ T 13 1.2.4 Entropy s 13 1.3 HỆ NHIỆT ĐỘNG VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI. - 14 1.3.1 Hệ nhiệt động 14 1.3.2 Các thông số trạng thái. - 14 1.4 PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT ĐỘNG - 15 1.4.1 Phương trình nhiệt động I: - 15 1.4.2 Phương trình nhiệt động II: 16 1.5 NHẬN DẠNG VÀ PHÂN BIỆT CÁC THÔNG SỐ VÀ TRẠNG THÁI 17 1.5.1 Nhận dạng thông số trạng thái 17 1.5.2 Nhận dạng trạng thái - 18 CHƯƠNG MÔI CHẤT VÀ SỰ TRUYỀN NHIỆT 19 2.1 KHÁI NIỆM KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC 19 2.1.1 Khái niệm khí lý tưởng 19 2.1.2 Khái niệm khí thực 20 2.2 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI SỰ TRUYỀN NHIỆT 20 2.2.1 Khái niệm truyền nhiệt 20 2.2.2 Phân loại truyền nhiệt 20 2.3 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI SỰ CHUYỂN PHA CỦA CÁC ĐƠN CHẤT 22 2.3.1 Khái niệm chuyển pha 22 2.3.2 Phân loại chuyển pha 22 2.4 NHẬN DẠNG VÀ PHÂN BIỆT SỰ CHUYỂN PHA, SỰ TRUYỀN NHIỆT CỦA MÔI CHẤT - 23 2.4.1 Nhận dạng và phân biệt quá trình chuyển pha 23 2.4.1.1 Quá trình hóa đẳng áp 23 2.4.1.2 Bảng và đồ thị 25 2.4.2 Nhận dạng và phân biệt truyền nhiệt - 27 CHƯƠNG CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MÔI CHẤT 30 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ KHẢO SÁT MỘT QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 30 3.2 NỘI DUNG KHẢO SÁT 31 3.3 CÁC QUÁ TRÌNH CÓ MỘT THÔNG SỐ BẤT BIẾN. - 31 3.3.1 Quá trình đẳng nhiệt 31 3.3.2 Quá trình đẳng áp - 33 3.3.3 Quá trình đẳng tích - 34 3.3.4 Quá trình đoạn nhiệt 35 3.3.5 Quá trình đa biến - 37 3.4 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ THỰC 39 3.4.1 Hơi nước là khí thực 39 3.4.2 Quá trình hóa và ngưng tụ nước 40 3.4.3 Các quá trình nhiệt động thực tế 41 3.5 QUÁ TRÌNH HỖN HỢP CỦA KHÍ VÀ HƠI (KHÔNG KHÍ ẨM) 45 3.5.1 Khái niệm, tính chất và phân loại 45 3.5.2 Các đại lượng đặc trưng - 47 3.5.3 Các quá trình không khí ẩm 48 CHƯƠNG CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT 50 4.1 KHÁI NIỆM VÀ YÊU CẦU 50 4.1.1 Khái niệm 50 4.1.2 Yêu cầu 51 4.2 PHÂN LOẠI CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 51 4.2.1 Chu trình động đốt 51 4.2.2 Chu trình tua-bin khí 55 4.2.3 Chu trình động phản lực 58 4.2.4 Chu trình nhà máy nhiệt điện 60 4.2.5 Chu trình thiết bị làm lạnh (chạy Amoniac, Frêon) 63 4.2 SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT 66 4.2.1 Sơ đồ cấu tạo động nhiệt 66 4.2.2 Nguyên lý hoạt động động nhiệt - 66 Hình 2.1 Các phương thức trao đổi nhiệt 21 Hình 2.2 Quá trình hóa đẳng áp 24 Hình 2.3 Đồ thị T - s nước 26 Hình 2.4 Đồ thị i - s nước 26 Hình 2.5 Các đại lượng đặc trưng cho xạ 29 Hình 3.1 Đồ thị p -v và T - s quá trình đẳng nhiệt 32 Hình 3.2 Đồ thị p -v và T - s quá trình đẳng áp 34 Hình 3.3 Đồ thị p -v và T - s quá trình đẳng tích 35 Hình 3.4 Đồ thị p -v và T - s quá trình đoạn nhiệt 37 Hình 3.5 Đồ thị p -v và T - s quá trình đa biến 39 Hình 3.6 Quá trình tiết lưu 42 Hình 3.7 Các quá trình máy nén khí cấp lý tưởng 44 Hình 3.8 Đồ thị T-s nước 46 Hình 3.9 Quá trình sấy 48 Hình 4.1 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp trên đồ thị p-V và T-s 52 Hình 4.2 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích 53 Hình 4.3 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp 54 Hình 4.4 So sánh các chu trình có cùng ε và q1 55 Hình 4.5 So sánh các chu trình có cùng cùng Tmax và pmax 55 Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý tua-bin khí 56 Hình 4.7 Đồ thị p-v và T-s tua- bin khí cấp nhiệt đẳng áp 57 Hình 4.8 Sơ đồ cấu tạo 58 Hình 4.9 Đồ thị T-s 58 Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý 59 Hình 4.11 Đồ thị P-v 59 Hình 4.12 Đồ thị T-s chu trình Các -nô nước 60 Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý 61 Hình 4.14 Đồ thị T-s 61 Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị T-s 62 Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý 64 Hình 4.17 Đồ thị T-s chu trình 64 Hình 4.18 Sơ đồ máy lạnh-bơm nhiệt 65 Hình 4.19 Sơ đồ cấu tạo động kỳ 66 Hình 4.20 Sơ đồ cấu tạo động kỳ 66 Hình 4.21 Nguyên lý làm việc và các chu trình động đốt 68 MÔN HỌC:NHIỆT KỸ THUẬT Vị trí, ý nghĩa, vai trò môn học: - Vị trí: Môn học bố trí giảng dạy sau các môn học: MH 07, MH 08, MH 09, MH 10, MH 11, MH 12, MH13 - Ý nghĩa: Nhiệt kỹ thuật là tên môn học Chương trình đào tạo, đó bao gồm các kiến thức nhiệt động học (hoặc nhiệt động lực học) Sau học xong môn học này người học cung cấp các kiến thức nhiệt và các động cơnhiệt (nhiệt động học cổ điển) và các hệ thống trạng thái cân (nhiệt động học cân bằng) Các nguyên lý nhiệt động học có thể áp dụng cho nhiều hệ vật lý, cần biết trao đổi lượng với môi trường mà không phụ thuộc vào chi tiết tương tác các hệ Do đó, người học có khả phân tích và giải thích số nguyên lý trên động đốt và số tượng xảy tự nhiên - Vai trò: Là môn học kỹ thuật sở bắt buộc Mục tiêu môn học: + Trình bày các khái niệm, các thông số bản, các quá trình nhiệt động môi chất + Giải thích nguyên lý hoạt động và kể tên các phận, chi tiết trên sơ đồ cấu tạo động đốt + Nhận dạng các chi tiết, phận động nhiệt trên ô tô + Tuân thủ đúng quy định, quy phạm nhiệt kỹ thuật + Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc, cẩn thận Loại Thời lượng Địa Mã bài Tên chương, mục bài điểm T.số LT TH KT dạy MH14-01 Chương Khái niệm và 11 11 các thông số 1.1 Các khái niệm và thông 2 số 1.2 Hệ nhiệt động và các 3 thông số trạng thái 1.3 Phương trình nhiệt động 3 1.4 Nhận dạng phân biệt các 3 thông số và trạng thái MH14-02 Chương Môi chất và 12 11 truyền nhiệt 2.1 Khái niệm, phân loại khí 3 lý tưởng và khí thực 2.2 Khái niệm, phân loại truyền nhiệt 2.3 Khái niệm chuyển 3 pha các đơn chất 2.4 Nhận dạng và phân biệt 3 chuyển pha, truyền nhiệt môi chất MH14-03 Chương Các quá trình 12 11 nhiệt động môi chất 3.1 Các quá trình nhiệt động 4 bản: Quá trình đa biến, đoạn nhiệt, đẳng nhiệt, đẳng áp và đẳng tích 3.2 Các quá trình nhiệt động khí thực 3.3 Quá trình hỗn hợp 4 khí và MH14-04 Chương Chu trình nhiệt 10 động động nhiệt 4.1 Khái niệm, yêu cầu và 4 phân loại chu trình nhiệt động 4.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động động nhiệt Cộng 45 42 YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ HOÀN THÀNH MÔN HỌC Phương pháp kiểm tra, đánh giá thực hiện: Được đánh giá qua bài viết, kiểm tra, vấn đáp trắc nghiệm, tự luận quá trình thực các bài học có môn học kiến thức, kỹ và thái độ Có đầy đủ bài kiểm tra và hồ sơ học tập đạt yêu cầu Nội dung kiểm tra, đánh giá thực hiện: - Về kiến thức: + Trình bày đầy đủ các khái niệm, các thông số bản, các quá trình nhiệt động môi chất + Giải thích nguyên lý hoạt động và kể tên các phận, chi tiết trên sơ đồ cấu tạo động đốt + Qua các bài kiểm tra viết trắc nghiệm đạt yêu cầu 60% - Về kỹ năng: + Nhận dạng các chi tiết, phận động nhiệt trên ô tô - Về thái độ: +Chấp hành nghiêm túc các quy định học, nội qui và làm đầy đủ các bài tập nhà + Rèn luyện tính chính xác, chủ động và tác phong công nghiệp 10 CHƯƠNG KHÁI NIỆM VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN Mã số chương: MH 14 - 01 Mục tiêu: - Trình bày các khái niệm và thông số quá trình nhiệt động - Giải thích ý nghĩa các khái niệm và các thông số - Tuân thủ đúng quy định, quy phạm lĩnh vực nhiệt kỹ thuật Nội dung chính: 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trong phạm vi chương trình môn học Kỹ thuật nhiệt, chúng ta nghiên cứu số khái niệm sau đây 1.1.1Nguồn nhiệt: là vật trao đổi nhiệt với môi chất; nguồn nhiệt có nhiệt độ cao gọi là nguồn nóng, nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp gọi là nguồn lạnh 1.1.2 Môi chất: là chất mà thiết bị dùng để truyền tải và chuyển hóa nhiệt với các dạng lượng khác Môi chất có thể là vật chất pha nào, thường dùng pha (khí) vì nó có khả co dãn lớn Môi chất có thể là đơn chất hỗn hợp 1.1.3 Trạng thái:là tập hợp các thông số xác định tính chất vật lý môi chất hay hệ thời điểm nào đó Các đại lượng vật lý đó gọi là thông số trạng thái 1.1.4 Thông số trạng thái: là đại lượng vật lý có giá trị trạng thái Thông số trạng thái là hàm đơn trị trạng thái Nghĩa làđộ biến thiên thông số trạng thái quá trình phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối quá trình mà không phụ thuộc vào quá trình (đường đi) đạt đến trạng thái đó 1.1.5Máy nhiệt: là hệ thống thiết bị thực chuyển hoá nhiệt và công nói chung 1.1.6Động nhiệt: là các loại máy nhiệt tiêu thụ nhiệt lượng nào đó để sản sinh cho chúng ta tương ứng VD: ô tô, xe máy, nhà máy nhiệt điện v.v 1.1.7Máy lạnh: là loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng lấy để làm lạnh vật nào đó VD: tủ lạnh, điều hoà nhiệt độ v.v là loại máy lạnh 1.1.8Bơm nhiệt: là loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng toả nguồn nóng để đốt nóng sấy, sưởi vật nào đó VD: tủ lạnh “hai chiều”: mùa hè làm việc theo chế độ máy lạnh, mùa đông làm việc theo chế độ bơm nhiệt 11 1.1.9Quá trình nhiệt động: là quá trình biến đổi chuỗi liên tiếp các trạng thái hệ có trao đổi nhiệt và công với môi trường 1.1.10 Nước sôi (nước bão hoà): là nước bắt đầu quá trình hóa kết thúc ngưng tụ; là phần nước cùng tồn với 1.1.11 Hơi bão hòa khô: là trạng thái bắt đầu ngưng tụ vừa hóa xong, mà là phần hai pha và nước (hoặc là và rắn) cùng tồn 1.1.12 Hơi bão hòa ẩm: là hỗn hợp bão hòa khô và nước bão hòa (nước sôi) 1.1.13 Nước chưa sôi: là nước có nhiệt độ nhỏ nhiệt độ bão hòa cùng áp suất là nước có áp suất lớn áp suất bão hòa cùng nhiệt độ 1.1.14Hơi quá nhiệt: là có nhiệt độ lớn nhiệt độ bão hòa cùng áp suất là có áp suất nhỏ áp suất bão hòa cùng nhiệt độ 1.1.15 Công: là đại lượng đặc trưng cho trao đổi lượng môi chất với môi trường có chuyển động vĩ mô Khi thực quá trình, có thayđổi áp suất, thay đổi thể tích dich chuyển trọng tâm khối môi chất thì phần lượng nhiệt chuyển hoá thành Lượng chuyển biến đó chính là công quá trình Ký hiệu là: l tính cho kg, đơn vị đo là J/kg L tính cho G kg, đơn vị đo là J Qui ước: Nếu l> ta nói vật sinh công Nếu l < ta nói vật nhận công Công không thể chứa vật nào, mà nó xuất có quá trình thay đổi trạng thái kèm theo chuyển động vật Về mặt học, công có trị số tích lực tác dụng với độ dời theo hướng lực Trong nhiệt kỹ thuật thường gặp các loại công sau: công thay đổi thể tích; công lưu động (công thay đổi vị trí); công kỹ thuật (công thay đổi áp suất) và công ngoài Trong nhiệt động kỹ thuật tồn các loại công sau: công thay đổi thể tích l (J/kg), công lưu động (thay đổi vị trí) công kỹ thuật lkt (J/kg) và công ngoài ln (J/kg) a Công thay đổi thể tích l(J/kg): là công thể tích hệ thay đổi mà có Công này có hệ kín và hệ hở Khi môi chất giãn nở, v2> v1 hệ sinh công, theo quy ước, đây là công dương Ngược lại, môi chất bị nén, v2< v1 thì hệ nhận từ môi trường công, theo quy ước, công này là công âm Côngthay đổi thể tích là hàm quá trình Với 1kg môi chất, tiến hành quá trình áp suất p, thể tích thay đổi lượng dv, thì môi chất thực công thay đổi thể tích là: 12 dl = p.dv (1-1) Khi tiến hành quá trình, thể tích thay đổi từ v1 đến v2 thì công thay đổi thể tích tính là: l = ∫ pdv (1-2) Từ công thức (1-1) ta thấy dl và dv cùng dấu Khi dv > thì dl> 0, nghĩa làkhi xẩy quá trình mà thể tích tăng thì công có giá trị dương, ta nói môi chất sinh công (công môi chất thực hiện) Khi dv < thì dl< 0, nghĩa là xẩy quá trình mà thể tích giảm thì công có giá trị âm, ta nói môi chất nhận công (công môi trương thực hiện) Công thay đổi thể tích không phải là thông số trạng thái, biểu diễn trên đồ thị p-v b Công kỹ thuật lkt(J/kg): là công dòng môi chất chuyển động thực áp suất thay đổi Do đó, công kỹ thuật có hệ hở Môi chất sinh công này thông qua thiết bị tua- bin hay máy nén nên gọi là công kỹ thuật Từ định nghĩa có thể thấy, dòng môi chất có áp suất giảm, công kỹ thuật lấy giá trị dương và ngược lại, áp suất tăng công kỹ thuật âm Công kỹ thuật là hàm quá trình dlkt = -vdp (1-3) Nếu quá trình tiến hành từ áp suất p1 đến áp suất p2 thì công kỹ thuật tính là: lkt = -∫ vdp (1-4) Từ công thức (1-4) ta thấy dlkt và dp ngược dấu nên dp < thì dlkt> 0,nghĩa là áp suất p giảm thì công kỹ thuật dương, ta nói môi chất sinh công và ngược lại c Công ngoài ln (J/kg) còn gọi là ngoại công: là công trao đổi hệ và môi trường quá trình nhiệt động Đây chính là công hữu ích chúng ta nhận công chúng ta tiêu tốn cho hệ Để có công trao đổi với môi trường hệ phải thay đổi thể tích, thay đổi lượng đẩy, thay đổi động năng, thay đổi ba dạng lượng đó: ϖ dln = dl - dllđ - d( )- gdh (1-5) Vì hệ kín, trọng tâm khối khí không dịch chuyển đó không có lực đẩy, không có ngoại động nên công ngoài hệ kín chính công thay đổi thể tích Nói cách khác, có thể nhận công hệ kín cho môi chất giản nở hay: dln = dl = pdv (1-6) Đối với hệ hở, môi chất cần tiêu hao công để thay đổi vị trí gọi là công lưu động hay lực đẩy (dln = d(pv)), đó công ngoài bằng: 13 ϖ dln = dl - d(pv) - d( )- gdh (1-7a) hay có thể viết: ϖ ϖ dln = dl - pdv -vdp - d( )- gdh = dlkt - d( )- gdh (1-7b) Trong thực tế, lượng biến đổi động và ngoài là nhỏ so với công kỹ thuật đó có thể bỏ qua, từ (1-7b) ta có: dln = dlkt (1-8) Từ (1-8) ta thấy công kỹ thuật tính gần đúng là công có ích nhận từ dòng môi chất (hệ hở) thông qua thiết bị kỹ thuật (tua- bin): Đối với quá trình thì: dln = dlkt ≠ dl (1-8a) Đối với chu trình, vì dlld = nên: dln = dlkt = dl (1-8b) 1.2 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN 1.2.1 Thể tích riêng v (m3/kg): thể tích riêng v là thể tích 1kg môi chất Do đó, gọi V (m3) là thể tích G (kg) môi chất thì thể tích riêng v xác định tỷ số: = (1-9) Đại lượng nghịch đảo thể tích riêng gọi là khối lượng riêng: G ρ= = (1-10) V 1.2.2 Áp suất p(N/m2): là áp lực các phần tử môi chất tác dụng tác dụng lên đơn vị diện tích thành bình theo phương pháp tuyến 1.2.3 Nhiệt độ T (K): theo thuyết động học phân tử nhiệt độ là thông số xác định động các phần tử, hay nói đơn giản nhiệt độ là thông số trạng thái xác định mức độ nóng hay lạnh vật Nhiệt độ đo nhiệt độ tuyệt đối hay nhiệt độ Kelvin, kí hiệu là T (K) nhiệt độ Celcius hay nhiệt độ bách phân, kí hiệu là t0C Quan hệ nhiệt độ Kelvin và nhiệt độ Celcius: t0C =T(K) - 273 (1-11) 1.2.4 Entropy s (J/kg): entropy là thông số trạng thái phát nhờ toán học Khi nghiên cứu chu trình nhiệt động Clausius thấy rằng, gọi dq (J/kg) là mật độ dòng nhiệt vô cùng nhỏ tham gia quá trình có nhiệt độ tuyệt đối T (K) nào đó thì tích phân vòng tỷ số dq/T không: (1-12) ∮ = Clausius cho tỷ số dq/T đóng vai trò là thông số trạng thái Ông gọi đó là entropy và kí hiệu là s (J/kgK) Như vậy: 14 ds = (1-13) Chú ý nhiệt lượng q hay vi phân nó dq là hàm số quá trình tỷ số nó với nhiệt độ tuyệt đối dq/T lại là vi phân toàn phần hàm số 1.3HỆ NHIỆT ĐỘNG VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI 1.3.1 Hệ nhiệt động(hệ thống nhiệt): là tập hợp đối tượng tách để nghiên cứu các tượng nhiệt, phần còn lại gọi là môi trường Gồm có loại: hệ kín, hệ hở, hệ đoạn nhiệt và hệ cô lập a Hệ kín và hệ hở: Hệ nhiệt động kín, gọi tắt là hệ kín có tính chất sau đây: - Trọng tâm hệ không chuyển động (chuyển động vĩ mô) hay chuyển động với vận tốc không đáng kể để động nó có thể bỏ qua - Khối lượng môi chất hệ kín không đổi - Môi chất không qua ranh giới hệ và môi trường Ngược với hệ kín là hệ hở Hệ hở là hệ mà ba tính chất trên đây không thoả mãn Trong hệ hở, trọng tâm hệ chuyển động với với vận tốc nào đó nên hệ cân hệ hở luôn luôn có động Dựa vào định nghĩa trên đây có thể thấy xem tủ lạnh gia đình gồm máy nén, giàn nóng, van tiết lưu và giàn lạnh là hệ nhiệt động thì tủ lạnh là hệ kín Ngược lại, chúng ta tách riêng máy nén và xem nó là hệ nhiệt động thì máy nén là hệ hở vì môi chất vào và khỏi máy nén, nghĩa là môi chất qua ranh giới hệ và môi trường Tương tự vậy, xem nhà máy nhiệt điện gồm lò hơi, quá nhiệt, tua bin, bình ngưng và bơm nước là hệ thì nhà máy nhiệt điện là hệ kín Trong đó, xem riêng tua- bin tua- bin và bình ngưng là hệ nhiệt động thì chúng là hệ hở b Hệ đoạn nhiệt và hệ cô lập: hệ đoạn nhiệt là hệ không tham gia trao đổi nhiệt lượng với với môi trường, có thể có trao đổi công Hệ cô lập là hệ không tham gia trao đổi nhiệt và công với môi trường Tất nhiên thực tế không có hệ đoạn nhiệt và hệ cô lập tuyệt đối mà có các hệ đoạn nhiệt và cô lập gần đúng Vì vậy, khái niệm hệ nhiệt động mang tính tương đối, phụ thuộc vào quan điểm người khảo sát 1.3.2 Các thông số trạng thái Ngoài thông số (cũng là thông số trạng thái) nêu mục 1.1.2, trạng thái môi chất còn xác định các thông số trạng thái sau: 15 1.3.2.1 Nội u (J/kg): nội là lượng bên hệ Nội gồm nội động và nội Nội động chuyển động các nguyên tử, phân tử sinh nên nó là hàm đơn trị nhiệt độ còn nội lực tương tác các nguyên tử, phân tử định đó phụ thuộc vào thể tích riêng hay áp suất Nói chung, nội là hàm nhiệt độ và thể tích riêng là hàm nhiệt độ và áp suất u = u1(T,v) = u2(T,p) (1-14) 1.3.2.2 Năng lượng đẩy d (J/kg): dòng môi chất (khí lỏng) chuyển động có thể có các lượng sau: động năng, và lượng đẩy giúp dòng môi chất chuyển động Năng lượng đẩy kg môi chất bằng: d = pv Vì p và v là các thông số trạng thái nên lượng đẩy là thông số trạng thái Năng lượng đẩy có hệ hở, còn hệ kín trọng tâm hệ không chuyển động nên lượng đẩy d = 1.3.2.3 Entapy i(J/kg): tính toán chuyển hóa nhiệt và công ta thường gặp tổ hợp (u + pv) hay (u + d) Vì u và pv u và d là các thông số trạng thái nên tổ hợp này là thông số trạng thái và gọi là Entanpy i: Như vậy: i = u + pv = u + d (1-15) 1.3.2.4 Execgy e (J/kg): Kinh nghiệm cho thấy quá trình thuận nghịch, các dạng lượng năng, điện v.v có thể biến đổi hoàn toàn thành công nhiệt thì có phần có thể biến thành công Phần nhiệt tối đa có thể chuyển hoấ thành công quá trình thuận nghịch gọi là execfy e (J/kg) Phần nhiệt không thể biến thành công gọi là anergy a (J/kg) Execgy e và anergy a phụ thuộc vào môi trường xung quanh Như vậy, gọi q là nhiệt lượng thì: q=e+a (1-16) Có thể tính execgy e theo biểu thức: e = (i - i0) - T0(s - s0) (1-17) Trong đó: i, s tương ứng là entanpy và entropy trạng thái cần xác định execgy; T0, i0, s0 tương ứng là nhiệt độ tuyệt đối, entanpy và entropy môi trường 1.4 PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 1.4.1 Phương trình nhiệt động I: Định luật nhiệt động I là định luật bảo toàn và biến hoá lượng viết chocác quá trình nhiệt động Theo định luật bảo toàn và biến hoá lượng thì lượng toàn phần vật hay hệ cuối quá trình luôn luôn 16 tổng đại số lượng toàn phần đầu quá trình và toàn lượng nhận vào hay nhả quá trình đó Trong các quá trình nhiệt động, không xẩy các phản ứng hoá học và phản ứng hạt nhân, nghĩa là lượng hoá học và lượng hạt nhân không thay đổi, đó lượng toàn phần vật chất thay đổi chính là thay đổi nội U, trao đổi nhiệt và công với môi trường Xét 1kg môi chất, cấp vào lượng nhiệt dq thì nhiệt độ thay đổi lượng dT và thể tích riêng thay đổi lượng dv Khi nhiệt độ T thay đổi chứng tỏ nội động thay đổi; thể tích v thay đổi chứng tỏ nội thay đổi và môi chất thực công thay đổi thể tích Như cấp vào lượng nhiệt dq thì nội thay đổi lượng là du và trao đổi công là dl Định luật nhiệt động I: nhiệt lượng cấp vào cho hệ phần dùng để thay đổi nội năng, phần dùng để sinh công Nghĩa là: nhiệt và các dạng lượng khác có thể biến hóa lẫn và lượng nhiệt xác định bị tiêu hao lượng xác định lượng khác tương ứng, còn tổng lượng lượng toàn phần môi chất không thay đổi Vì vậy, định luật nhiệt động I cho phép ta viết phương trình cân lượng cho quá trình nhiệt động Định luật nhiệt động I có thể viết nhiều dạng khác sau: Trường hợp tổng quát: dq = du + dl (1-18) Đối với kg môi chất: ∆q = ∆u + l (1-18a) Đối với G kg môi chất: ∆Q = ∆U + L (1-18b) Mặt khác theo định nghĩa entanpi, ta có: i = u + pv Lấy đạo hàm ta được: di = du + d(pv) hay du = di - pdv - vdp; thay vào (1-18) và dl = pdv (1-1) ta có dạng khác biểu thức định luật nhiệt động I sau: dq = di - pdv - vdp + pdv ⇒dq = di - vdp (1-19) Hay: dq = di + dlkt (1-20) Đối với khí lý tưởng ta luôn có: du = CvdT; di = CpdT thay giá trị du và di vào (1-18) và (1-19) ta có dạng khác biểu thức định luật nhiệt động I : dq = CvdT + pdv (1-21) dq = CpdT - vdp (1-22) hệ hở: ϖ dlkt =dln+ d( ) + gdh (1-23) 1.4.2 Phương trình nhiệt động II: Định luật nhiệt động I chính là định luật bảo toàn và biến hoá lượng viết cho các quá trình nhiệt động, nó cho phép tính toán cân 17 lượng các quá trình nhiệt động, xác định lượng nhiệt có thể chuyển hoá thành công công chuyển hoá thành nhiệt Tuy nhiên nó không cho ta biết điều kiện nào thì nhiệt có thể biến đổi thành công và liệu toàn nhiệt có thể biến đổi hoàn toàn thành công không Định luật nhiệt động II cho phép ta xác định điều kiện nào thì quá trình xẩy ra, chiều hướng xẩy và mức độ chuyển hoá lượng quá trình Định luật nhiệt động II là tiền đề để xây dựng lý thuyết động nhiệt và thiết bị nhiệt Theo định luật nhiệt động II thì quá trình tự phát tự nhiên xẩy theo hướng định Ví dụ nhiệt có thể truyền từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp Nếu muốn quá trình xẩy ngược lại thì phải tiêu tốn lượng, ví dụ muốn tăng áp suất thì phải tiêu tốn công nén phải cấp nhiệt vào; muốn lấy nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp thải môi trường xung quanh có nhiệt độ cao (như máy lạnh) thì phải tiêu tốn lượng định (tiêu tốn điện chạy động cơ, kéo máy nén) Định luật nhiệt động II: có hai cách phát biểu Cách thứ Thomson-Planck phát biểu: không thể có động nhiệt có khả biến toàn nhiệt lượng cấp cho nó thành công mà không phần nhiệt lượng truyền cho các vật khác Biểu thức: q1 -q2= l (1-24) Trong đó: q1- lượng nhiệt nguồn nóng q2- lượng nhiệt nguồn lạnh l - công sinh Cách thứ hai Các - nôt-clausius phát biểu: nhiệt lượng tự nó có thể truyền từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp Muốn truyền ngược lại phải tiêu tốn thêm lượng Biểu thức: q1= q2 -l (1-25) 1.5 NHẬN DẠNG VÀ PHÂN BIỆT CÁC THÔNG SỐ VÀ TRẠNG THÁI 1.5.1 Nhận dạng thông số trạng thái - Thông số trạng thái có vi phân toàn phần - Thông số trạng thái là hàm đơn trị trạng thái, lượng biến thiên thông số trạng thái phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối quá trình mà không phụ thuộc vào đường quá trình Nhiệt lượng và công trao đổi quá trình phụ thuộc vào đường quá trình nên không phải là thông số trạng thái, chúng là hàm quá trình 18 Trong nhiệt động, thường dùng thông số trạng thái có thể đo trực tiếp là nhiệt độ T, áp suất p và thể tích riêng v (hoặc khối lượng riêng ρ), còn gọi là các thông số trạng thái Ngoài ra, tính toán người ta còn dùng các thông số trạng thái khác như: nội U, entanpi E và entropi S, các thông số này không đo trực tiếp mà tính toán qua các thông số trạng thái 1.5.2 Nhận dạng trạng thái Trạng thái là tập hợp các thông số xác định tính chất vật lý môi chất hay hệ thời điểm nào đó Các đại lượng vật lý đó gọi là thông số trạng thái Trạng thái cân hệ đơn chất, pha xác định biết hai thông số trạng thái độc lập Trên đồ thị trạng thái, trạng thái biểu diễn điểm Khi thông số trạng thái điểm toàn thể tích hệ có trị số đồng và không thay đổi theo thời gian, ta nói hệ trạng thái cân Ngược lại không có đồng này nghĩa là hệ trạng thái không cân Chỉ có trạng thái cân biểu diễn trên đồ thị điểm nào đó, còn trạng thái không cân thì thông số trạng thái các điểm khác khác nhau, đó không biểu diễn trên đồ thị Trong giáo trình này ta nghiên cứu các trạng thái cân Khi hệ cân trạng thái nào đó thì các thông số trạng thái có giá trị xác định Khi môi chất hệ trao đổi nhiệt công với môi trường thì xẩy thay đổi trạng thái và có ít thông số trạng thái thay đổi 19 CHƯƠNG MÔI CHẤT VÀ SỰ TRUYỀN NHIỆT Mã số chương: MH 14 - 02 Mục tiêu: - Trình bày khái niệm khí lý tưởng và khí thực - Giải thích khác khí lý tưởng và khí thực - Tuân thủ đúng quy định, quy phạm lĩnh vực nhiệt kỹ thuật Nội dung chính: 2.1 KHÁI NIỆM KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC 2.1.1 Khái niệm khí lý tưởng: Khí lý tưởng là khí mà kích thước các phân tử tạo thành khí đó vô cùng bé (có thể bỏ qua) và lực tương tác các phân tử không đáng kể (coi 0).Trong thực tế không có khí lý tưởng Trong kỹ thuật, điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường có thể coi các chất Hyđrô, Ôxy, Nitơ, không khí, v.v là khí lý tưởng Tóm lại, khí lý tưởng là khí không có thể tích thân phân tử, không có lực tương tác các phân tử và không có biến pha Hỗn hợp khí lý tưởng là hỗn hợp học hai nhiều chất khí lý tưởngkhi không xảy phản ứng hóa học các chất khí thành phần Ví dụ: không khí có thể xem là hỗn hợp khí lý tưởng với các chất khí thành thành gồm nitơ (N2), oxy (O2), dioxyt carbon (CO2),v.v Hỗn hợp khí sử dụng có thể có tỷ lệ các chất khí thành phần khác nên việc xây dựng các bảng đồ thị cho chúng là không thực tế Bởi vậy, người ta nghiên cứu phương pháp xác định các thông số nhiệt động và tính toán với hỗn hợp khí lý tưởng Khí gọi là khí lý tưởng thì các hạt tạo thành khí đó phải tuân theo lý thuyết vật lý cổ điển và vật lý lượng tử, vì có ba loại khí lý tưởng: a.Khí lý tưởng cổ điển: tuân thủ thống kê Maxwell-Boltzmann Khí lý tưởng cổ điển có thể lại chia làm hai loại:loại thứ túy cổ điển và entropy chúng có thể cộng với số vô định;loại thứ hai là giới hạn nhiệt độ cao hai loại khí lý tưởng lượng tử, và số cộng thêm vào entropy xác định b.Khí lý tưởng lượng tử: tuân thủ thống kê Bose (đặt tên theo nhà vật lý ngườiẤn Độ Satyendra Nath Bose) Các hạt boson có spin nguyên, chúng có thể nằm cùng trạng thái lượng tử và không tuân theo nguyên lý WolfgangPauly c.Khí lý tưởng lượng tử: tuân thủ thống kê Fermi Fermion là hạt cóspin bán nguyên và tuân thủ theo nguyên lý loại trừ Wolfgang Pauly, nguyên lý cho không có hai fermison nào có cùng trạng thái lượng tử với 20 Khái quát hóa, fermison là hạt vật chất còn boson là hạt truyền tương tác Trong đó,Spin là đại lượng vật lý, có chất mô men độnglượng và là mộtkhái niệm túy lượng tử, không có tương ứngtrong học cổ điển.Trong học cổ điển, mô men xung lượng biểu diễn côngthức L = r × p, còn mô men spin học lượng tử tồn hạtcó khối lượng 0, vì spin là chất nội hạt đó ħ Các hạt cơbản electron, quark có spin (gọi tắt là 1/2), ngaycả nó coi là chất điểm và không có cấu trúc nội Khái niệm spinđược Ralph Kronig đồng thời và độc lập với ông, làGeorgeUnlenbeck, Samuel Goudsmit đưa lần đầu vào năm 1925 2.1.2 Khái niệm khí thực: khí thực là khí mà thể tích thân các phân tử khác không và tồn lực tương tác các phân tử Các loại khí tự nhiên là khí thực, chúng tạo nên từ các phân tử, phân tử chất khí có kích thước và khối lượng định, các phân tử chất khí tương tác với 2.2 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI SỰ TRUYỀN NHIỆT 2.2.1 Khái niệm truyền nhiệt Truyền nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt các vật các phân tử vật có nhiệt độ khác 2.2.2 Phân loại truyền nhiệt: có ba hình thức truyền nhiệt riêng rẽ là: dẫn nhiệt, đối lưu và xạ; phân biệt theo phương thức truyền động các phân tử thuộc hai vật a Dẫn nhiệt: Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt các vật các phần tử vật có nhiệt độ khác tiếp xúc trực tiếp với Dẫn nhiệt xẩy có chênh lệch nhiệt độ các phần vật hai vật tiếp xúc Dẫn nhiệt túy xẩy hệ gồm các vật rắn có tiếp xúc trực tiếp b Trao đổi nhiệt đối lưu (tỏa nhiệt): Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt xảy có dịch chuyển khối chất lỏng chất khí không gian từ vùng có nhiệt độ này đến vùng có nhiệt độ khác Tỏa nhiệt là tượng các phân tử trên bề mặt vật rắn và chạm vào các phần tử chuyển động có hướng chất lỏng tiếp xúc với nó để trao đổi động Tỏa nhiệt xẩy vùng chất lỏng khí tiếp xúc với mặt vật rắn, là kết hợp dẫn nhiệt và đối lưu lớp chất lỏng gần bề mặt tiếp xúc 21 Tùy theo nguyên nhân gây chuyển động chất lỏng, tỏa nhiệt phân loại: - Tỏa nhiệt tự nhiên là tượng dẫn nhiệt vào chất lỏng chuyển động tự nhiên, luôn xảy trường trọng lực nhiệt độ chất lỏng khác nhiệt độ bề mặt - Tỏa nhiệt cưỡng là tượng dẫn nhiệt vào chất lỏng chuyển động cưỡng tác dụng bơm, quạt máy nén Cường độ tỏa nhiệt, tỷ lệ thuận với hệ số tỏa nhiệt α [w/m2K], và tính theo công thức Newton: q= α(tw - tf)= α∆t (2-1) Trong đó ∆t là hiệu số nhiệt độ bề mặt và chất lỏng c Trao đổi nhiệt xạ: Trao đổi nhiệt xạ là dạng trao đổi nhiệt không cần có tiếp (khác với đối lưu và dẫn nhiệt) các vật tham gia trao đổi Trao đổi nhiệt xạ là tượng các phân tử vật xạ các hạt, truyền không gian dạng sóng điện từ, mang lượng đến truyền cho các phân tử vật Khác với hai phương thức trên, trao đổi nhiệt xạ có thể xẩy hai vật cách xa, không cần tiếp xúc trực tiếp thông qua môi trường chất lỏng và khí, và luôn xây với chuyển hóa lượng nhiệt và lượng điện từ Đây là phương thức trao đổi nhiệt các thiên thể vũ trụ, chẳng hạn mặt trời và các hành tinh Trên hình 2.1 minh hoạ các phương thức trao đổi nhiệt a ϖ b c Hình 2.1 Cácphương thức trao đổi nhiệt a Dẫn nhiệt; b Tỏa nhiệt; c Trao đổi nhiệt xạ 22 Quá trình trao đổi nhiệt thực tế có thể bao gồm phương thức nói trên, gọi là quá trình trao đổi nhiệt phức hợp Ví dụ, bề mặt vật rắn có thể trao đổi nhiệt với chất khí tiếp xúc nó theo phương thức tỏa nhiệt và trao đổi nhiệt xạ Mọi vật nhiệt độ luôn phát các lượng tử lượng và truyền không gian dạng sóng điện từ, có bước sóng λ từ đến vô cùng Theo độ dài sóng λ từ nhỏ đến lớn, sóng điện từ chia các khoảng ∆λ ứng với các tia vũ trụ, tia gama γ, tia Roentgen hay tia X, tia tử ngoại, tia ánh sáng, tia hồng ngoại và các tia sóng vô tuyến Thực nghiệm cho thấy, các tia ánh sáng và hồng ngoại mang lượng Eλ đủ lớn để vật có thể hấp thụ và biến thành nội cách đáng kể, gọi là tia nhiệt, có bước sóng λ∈(0,4 ÷ 400) 10-6m Môi trường thuận lợi cho trao đổi nhiệt xạ vật là chân không khí loãng, ít hấp thụ xạ Khác với dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt đối lưu, trao đổi nhiệt xạ có các đặc điểm riêng là: - Luôn có chuyển hóa lượng: từ nội thành lượng điện từ xạ và ngược lại hấp thụ Không cần tiếp xúc trực tiếp gián tiếp qua môi trường chất trung gian, cần môi trường truyền sóng điện từ, tốt là chân không - Có thể thực trên khoảng cách lớn, cỡ khoảng cách các thiên thể khoảng không vũ trụ 2.3 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI SỰ CHUYỂN PHA CỦA CÁC ĐƠN CHẤT 2.3.1 Khái niệm chuyển pha: đó là chuyển trạng thái chất nào đó từ nhiệt độ t1, áp suất p1 sang nhiệt độ t2, áp suất p2 thì bắt đầu chuyển từ pha rắn sang pha hay ngược lại; từ pha rắn sang pha lỏng và ngược lại; từ pha pha lỏng sang pha và ngược lại 2.3.2 Phân loại chuyển pha: Môi chất công tác (MCCT) là chất có vai trò trung gian các quá trình biến đổi lượng các thiết bị nhiệt Dạng đồng vật lý MCCT gọi là pha Ví dụ, nước có thể tồn pha lỏng, pha rắn và pha (khí) Thiết bị nhiệt thông dụng thường sử dụng MCCT pha khí vì chất khí có khả thay đổi thể tích lớn nên có khả thực công lớn a Sự hóa và ngưng tụ: Hóa là quá trình chuyển từ pha lỏng sang pha Ngược lại, quá trình chuyển từ pha sang pha lỏng gọi là ngưng tụ Để hóa hơi, phải cấp nhiệt cho MCCT.Ngược lại, ngưng tụ MCCT nhả nhiệt Nhiệt lượng cấp cho kg MCCT lỏng hóa hoàn toàn gọi là nhiệt hóa (rhh), nhiệt lượng tỏa kg MCCT ngưng tụ gọi là nhiệt ngưng 23 tụ (rnt) Nhiệt hóa và nhiệt ngưng tụ có trị số nhau.Ở áp suất khí quyển, nhiệt hóa nước là 2258 kJ/kg b Sự nóng chảy và đông đặc: Nóng chảy là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, quá trình ngược lại gọi là động đặc Cần cung cấp nhiệt để làm nóng chảy MCCT Ngược lại, đông đặc MCCT nhả nhiệt Nhiệt lượng cần cung cấp để 1kg MCCT nóng chảy gọi là nhiệt nóng chảy (rnc), nhiệt lượng tỏa kg MCCT đông đặc gọi là nhiệt đông đặc (rdd) Nhiệt nóng chảy và nhiệt đông đặc có trị số nhau.Ở áp suất khí quyển, nhiệt nóng chảy nước 333 kJ/kg c Sự thăng hoa và ngưng kết: thăng hoa là quá trình chuyển trực tiếp từ pha rắn sang pha Ngược lại với quá trình thăng hoa là ngưng kết.MCCT nhận nhiệt thăng hoa và nhả nhiệt ngưng kết.Nhiệt thăng hoa (rth) và nhiệt ngưng kết (rnk) có trị số Ở áp suất p = 0,006 bar, nhiệt thăng hoa nước 2818 kJ/kg 2.4 NHẬN DẠNG VÀ PHÂN BIỆT SỰ CHUYỂN PHA, SỰ TRUYỀN NHIỆT CỦA MÔI CHẤT 2.4.1Nhận dạng và phân biệt quá trình chuyển pha 2.4.1.1 Quá trình hóa đẳng áp Hơi các chất lỏng sử dụng nhiều kỹ thuật.Ví dụ nước sử dụng chạy turbine nước các nhà máy nhiệt điện, để sấy nóng; Amoniac, Freon sử dụng các thiết bị lạnh, v.v - Hóa là quá trình chuyển pha từ lỏng sang Hóa có thể thực cách bay sôi - Bay là quá trình hóa diễn trên bề mặt thoáng chất lỏng Cường độ bay phụ thuộc vào chất chất lỏng, áp suất và nhiệt độ - Sôi là quá trình hóa diễn toàn thể tích chất lỏng Sự sôi diễn nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hòa (ts) Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào chất chất lỏng và áp suất.Ở áp suất khí quyển, nhiệt độ sôi nước 1000C Trong kỹ thuật, quá trình hóa thường tiến hành áp suất không đổi,đặc điểm quá trình hóa các chất lỏng là giống Quá trình hóa đẳng áp nước và đặc điểmcủa quá trình trình bày đây áp dụng cho các chất lỏng khác Giả sử có kg nước xylanh, trên bề mặt nước có pít tông có khối lượng không đổi.Như vậy, áp suất tác dụng lên nước không đổi quá trình hóa Giả sử nhiệt độ ban đầu nước là t0, ta cấp nhiệt cho nước, quá trình hóa đẳng áp diễn Hình 2.2 thể quá trình hóa đẳng áp, đó nhiệt độ phụ thuộc vào lượng nhiệt cấp: t = f(q) Đoạn OA 24 biểu diễn quá trình đốtt nóng nư nước từ nhiệt độ ban đầu t0 đến nhiệtt độ đ sôi ts Nước nhiệt độ t < ts gọii là nư nước chưa sôi Khi chưa sôi, nhiệtt đđộ nước tăng tăng lượng ng nhiệt nhi cấp vào.Đoạn AC thể hiệnn quá trình sôi Trong quá trình sôi, nhi nhiệt độ nước không đổi (ts = const), nhiệtt đư cấp vào sử dụng để biến n đổi đ pha mà không làm tăng nhiệt độ củủa chất lỏng Thông số trạng thái củaa nước nư điểm A ký hiệuu là: i', s', u', v', v.v Hơi điểm C gọi là bão ão hòa khô, các thông số trạng thái củaa nó đư ký hiệu là: i'', s'', u'', v'', v.v Hơi trạng thái A và C gọii là bbão hòa ẩm, các thông số trạng thái củ nó ký hiệu là ix, sx, ux, vx, v.v Sau toàn bbộ lượng nước đượcc hóa hơi, n tiếp tục cấp nhiệt thì nhiệt độ củaa ssẽ tăng (đoạn CD) Hơi có nhiệt độ ộ t > ts gọi là quá nhiệt.Hơi bão ão hòa ẩm là hỗn hợp nước sôi và bão ão hòa khô Hàm lượng bão ão hòa khô hhơi bão hòa ẩm đượcc đánh giá b đại lượng độ khô (x) độ ẩm m (y): = (2-2) y=1-x (2-3) đó: x- độ khô; y- độ ẩẩm; mx- lượng bão hòa ẩm; mh- lượng ng bão b hòa khô; mn- lượng nướcc sôi Hình 2.2 Quá trình hóa h đẳng áp Tương tự, tiếnn hành quá trình hóa hhơi đẳng áp ng áp suất su khác (p1, p2, p3, v.v.) và cùng bi biểu diễn trên đồ thị trạng ng thái p - v, các đường, các điểm m và vùng đđặc trưng biểu diễn trạng ng thái c nước sau: - Đường trạng thái nướcc chưa sôi: đư đường nối các điểm O, O1,O2, O3 v.v gần là thẳng đứng ng vì th thể tích nước thay đổi rấtt ít tăng ho giảm áp suất - Đường giới hạn dưới: đường ng nnối các điểm A, A1, A2, A3, v.v biểu u diễn di trạng thái nước sôi độ khô x = - Đường giới hạn trên: đường ng nnối các điểm C, C1, C2, C3, v.v biểu u diễn di trạng thái bão hòa khô có độ khô x = 25 - Điểm tới hạn K: điểm gặp đường giới hạn và giới hạn trên Trạng thái K gọi là trạng thái tới hạn, đó không còn khác chất lỏng sôi và bão hòa khô.Các thông số trạng thái K gọi là các thông số trạng thái tới hạn Nước có các thông số trạng thái tới hạn: pK = 221bar, tK = 374 0C, vK = 0,00326 m3/kg - Vùng chất lỏng chưa sôi (x = 0): vùng bên trái đường giới hạn - Vùng bão hòa ẩm (0 < x < 1): vùng đường giới hạn và trên - Vùng quá nhiệt (x = 1): vùng bên phải đường giới hạn trên 2.4.1.2 Bảng và đồ thị Hơi các chất lỏng thường phải xem là khí thực, sử dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho thì sai số khá lớn Trong tính toán kỹ thuật cho người ta thường dùng các bảng số đồ thị đã xây dựng sẵn cho loại a Bảng nước Trạng thái MCCT xác định biết hai thông số trạng thái độc lập.Đối với nước sôi (x = 0) và bão hòa khô (x = 1) cần biết áp suất (p) nhiệt độ (t) xác định trạng thái vì đã biết trước độ khô Đối với nước chưa sôi và quá nhiệt người ta thường chọn áp suất (p) và nhiệt độ (t) là hai thông số độc lập để xây dựng bảng trạng thái Đối với bão hòa ẩm, người ta không lập bảng trạng thái mà xác định trạng thái nó trên sở độ khô và các thông số trạng thái nước sôi và bão hòa khô sau: vx = v' + x (v'' - v') (2-4) ix = i' + x (i'' - i') (2-5) sx = s' + x (s'' - s') (2-6) ux = u' +x (u'' - u') (2-7) Nội không có các bảng và đồ thị Nội xác định theo enthalpy công thức sau: u = i - pv (2-8) b Đồ thị nước Bên cạnh việc dùng bảng, người ta có thể sử dụng các đồ thị trạng thái để tínhtoán cho - Đồ thị T - s nước Trên đồ thị T-s (Hình 2.3), các đường đẳng áp p = const vùng nước chưa sôi trùng với đường giới hạn (x = 0), vùng bão hòa ẩm là các đoạn thẳng nằm ngang và trùng với đường đẳng nhiệt (T = const), vùng quá nhiệt là các đường cong lên Chiều tăng áp 26 suất cùng với chiều tăng củủa nhiệt độ Các đường có độ khô không đổi đ (x = const) xuất phát từ điểm tớii hhạn K tỏa xuống phía Hình2 ình2.3 Đồ thị T - s nước - Đồ thị i - s nước Đồ thị i - s củaa nư nước (Hình 2.4) Mollyer xây dựng lần đầu tiên vào năm 1904 trên sở các ssố liệu thực nghiệm Đồ thị i - s rấtt thuận thu tiện cho việc tính toán đối vớii nư nước, vì quá trình đẳng ng áp thì ta có: có dq = di - v.dp hay q= i2 - i1 Như vvậy, nhiệt quá trình đẳng áp ng hiệu hi enthalpy Hình 2.4 Đồ thị i - s nước Trên đồ thị i - s, đường ng đđẳng áp (p = const) vùng bão ão hòa ẩm trùng với đường đẳng nhiệệt tương ứng và là các đường thẳng xyên, xy vùng quá nhiệtt là các đư đường cong lên có bề lồi quay phía dư Đường đẳng nhiệtt (T = const) vùng bbão hòa ẩm m trùng với v đường đẳng áp tương ứng, ng, vùng quá nhi nhiệt là các đường ng cong lên Càng xa đường x = 1, đườ ờng đẳng nhiệt càng gần n song song với v trục hoành Đường đẳng ng tích (v = const) đđều là các đường ng cong lên dốc d 27 đường đẳng áp, chúng thường vẽ đường nét đứt màu đỏ Trong thực tế kỹ thuật, các quá trình nhiệt động thường diễn vùng quá nhiệt và phần vùng bão hòa ẩm có độ khô cao Vì vậy, để đơn giản người ta thường vẽ phần nó 2.4.2 Nhận dạng và phân biệt truyền nhiệt 2.4.2.1 Dẫn nhiệt a Định luật fourier và hệ số dẫn nhiệt Dựa vào thuyết động học phân tử, Fourier đã chứng minh định luật dẫn nhiệt sau: Vec tơ dòng nhiệt tỷ lệ thuận với vectơ gradient nhiệt độ Biểu thức định luật có dạng vectơ là: q⃗ = −λgra⃗dt (2-9) dạng vô hướng là: q = - λgradt = -λ (2-10) Theo định luật này, nhiệt lượng Q dẫn qua diện tích F mặt đẳng nhiệt giây tính theo công thức: ∂ Q = -∫ λ dF (2-11) ∂ Khi gradt không đổi trên bề mặt F, công thức có dạng: ∂ Q = -λ dF ∂ (2-12) Định luật Fourier là định luậtcơ để tính lượng nhiệt trao đổi phương thức dẫn nhiệt b Hệ số dẫn nhiệt Hệ số định luật Fourier: λ= , W/mK gọi là hệ số dẫn nhiệt Hệ số dẫn nhiệt λ đặc trưng cho khả dẫn nhiệt vật Giá trị λphụ thuộc vào chất và kết cấu vật liệu, vào độ ẩm và nhiệt độ, xácđịnh thực nghiệm với vật liệu và cho sẵn theo quan hệ với nhiệt độ bảng các thông số vật lý vật liệu c Phương trình vi phân dẫn nhiệt Với a = λ ρ τ = λ ρ ∇ t + ρ =a ∇ t+ λ (2-13) , m2/s, gọi là hệ số khuếch tán nhiệt, đặc trưng cho mức độ khuếch tán nhiệt vật 2.4.2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu a Công thức tính nhiệt Thực nghiệm cho hay lượng nhiệt Q trao đổi đối lưu mặt F có nhiệt độ tw với chất lỏng có nhiệt độ tf luôn tỷ lệ với F và: ∆t = tw - tf (2-14) 28 Do đó, nhiệt lượng Q đề nghị tính theo công thức quy ước, gọi là công thức Newton, có dạng sau: Q = αF∆t [W] hay q = α∆t [W/m2] (2-15) b Hệ số tỏa nhiệt α Hệ số α công thức Newton nói trên, gọi là hệ số tỏa nhiệt: α= = [W/m2K] ∆ ∆ Hệ số α đặc trưng cho cường độ tỏa nhiệt, lượng nhiệt truyền từ 1m bề mặt đến chất lỏng có nhiệt độ khác nhiệt độ bề mặt độ Giá trị α coi là ẩn số chính bài toán tỏa nhiệt, phụ thuộc vào các thông số khác môi trường chất lỏng và bề mặt, xác định chủ yếu các công thức thực nghiệm c Phương trình tỏa nhiệt tiêu chuẩn Nu = f(Pr, Gr, Re) (2-16) Trong đó: α + Nu = là hệ số tỏa nhiệt không thứ nguyên chưa biết, gọi là λ tiêu chuẩn Nusselt, đặc trưng cho cường độ tỏa nhiệt γ + Pr = là độ nhớt không thứ nguyên, cho trước điều kiện vật lý, gọi là tiêu chuẩn Prandtl, đặc trưng cho tính chất vật lý chất lỏng ϖ + Re = là vận tốc không thứ nguyên, gọi là tiêu chuẩn Reynolds, đặc trưng cho chế độ chuyển động Trong tỏa nhiệt cưỡng Re là tiêu chuẩnxác định Trong tỏa nhiệt tự nhiên, Re là tiêu chuẩn chưa xác định phụ thuộc vào Gr và Pr + Gr = β ∆ là lực nâng không thứ nguyên, cho trước theo điều kiện đơn trị, gọi là tiêu chuẩn Grashof, đặc trưng cho cường độ đối lưu tự nhiên 2.4.2.3 Trao đổi nhiệt xạ a Công suất xạ toàn phần Q Công suất xạ toàn phần mặt F là tổng lượng xạ phát từ F giây, tính theo phương trên mặt F với bước sóng λ∈ (0,∞).Q đặc trưng cho công suất xạ mặt F hay vật, phụ thuộc vào diện tích F và nhiệt độ T trên F: Q = Q (F,T), [W] (2-17) b Cường độ xạ toàn phần E Cường độ xạ toàn phần E điểm M trên mặt F là công suất xạ toàn phần δQ diện tích dF bao quanh M, ứng với đơn vị diện tích dF: δ E = ′ [W/m2] (2-18) E đặc trưng cho cường độ BX toàn phần điểm M trên F, phụ thuộc vào nhiệt độ T M, E = E (T) Nếu biết phân bố E tại∀ M ∈ F thì tìm được: 29 Q = ∫ EdF E = const, ∀M ∈ F thì: Q = EF; [W] Q (2-19) δQ2 δQ dF λdλ M F M dF Hình 2.5 Các đại lượng đặc trưng cho xạ c Cường độ xạ đơn sắc Cường độ xạ đơn sắc Eλ bước sóng ở, điểm M ∈ F là phần lượng δ2Q phát từ dF quanh M, truyền theo phương xuyên qua kính lọc sóng có λ∈[λ + dλ] ứng với đơn vị dF và dλ: Eλ= δ λ , [W/m3] (2-20) Eλ đặc trưng cho cường độ tia xạ có bước sóng phát từ điểm M ∈ F, phụ thuộc vào bước sóng λ và nhiệt độ T điểm M , Eλ = Eλ (λ, T) ∞ Nếu biết phân bố Eλ theo λ thì tính E = ∫λ Eλ dλ Quan hệ Eλ, E và Q có dạng: ∞ Q = ∫ EdF = ∫ ∫λ Eλ dλdF (2-21) Để phân biệt chuyển pha và truyền nhiệt ta nhận thấy rằng: - Sự chuyển pha xảy chất - Sự truyền nhiệt xảy hai nhiều vật khác Tuy nhiên, quá trình chuyển pha và quá trình truyền nhiệt là các quá trình nhiệt động 30 CHƯƠNG CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MÔI CHẤT Mã số chương: MH 14 - 03 Mục tiêu: - Phát biểu các khái niệm, phân loại các quá trình nhiệt động - Giải thích các quá trình nhiệt động máy nén khí - Nhận dạng quá trình nhiệt động máy nén khí và môi chất - Tuân thủ đúng quy định, quy phạm lĩnh vực nhiệt kỹ thuật Nội dung chính: 3.1CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ KHẢO SÁT MỘT QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Khảo sát quá trình nhiệt động là nghiên cứu đặc tính quá trình, quan hệ các thông số trạng thái thay đổi, tính toán độ biến thiên các thông số u, i, s, công và nhiệt trao đổi quá trinh, biểu diễn các quá trình trên đồ thị p-v và T-s Để khảo sát quá trình nhiệt động khí lý tưởng ta dựa trên quiluật sau đây: - Đặc điểm quá trình - Phương trình trạng thái, - Phương trình định luật nhiệt động I Từ đặc điểm quá trình, ta xác lập phương trình quá trình Phương trình trạng thái cho phép xác định quan hệ các thông số trạng thái quá trình, còn phương trình định luật nhiệt động I cho phép ta tính toán công và nhiệt lượng trao đổi khí lý tưởng với môi trường và độ biến thiên ∆u, ∆i và ∆s quá trình Ngoài ra, quá trình lưu động (sự chuyển động môi chất) thì khảo sát, ngoài các thông số trạng thái áp suất, nhiệt độ v.v ta còn phải xét thông số là tốc độ, kí hiệu là ϖ Khi khảo sát dòng lưu động ta giả thiết : - Dòng lưu động là ổn định: nghĩa là các thông số môi chất không thay đổi theo thời gian - Dòng lưu động chiều: vận tốc không thay đổi tiết diện ngang - Quá trình lưu động là đoạn nhiệt: bỏ qua nhiệt ma sát và dòng không trao đổi nhiệt với môi trường - Quá trình lưu động là liên tục: các thông số dòng thay đổi cách liên tục, không bị ngắt quãng và tuân theo phương trình liên tục: G = ϖ.ρ.f = const (3-1) Ở đây: + G là lưu lượng khối lượng [kg/s]; + ϖlà vận tốc dòng [m/s]; 31 + flà diện tích tiết diện ngang dòng nơi khảo sát [m2]; + ρlà khối lượng riêng mổi chất [kg/m3]; 3.2 NỘI DUNG KHẢO SÁT - Định nghĩa quá trình và lập phương trình biểu diễn quá trình f(p,v) = - Dựa vào pheơng trình trạng thái pv = RT và pheơng trình quá trình để xác định quan hệ các thông số trạng thái bảnở trạng thái đầu và cuối quá trình - Tính lượng thay đổi nội ∆u, entanpi ∆i và entropi ∆s quá trình Đối với khí lý tưởng, trường hợp nội và entanpi tính theo các công thức: ∆u = Cv(T2 -T1) (3-2) ∆i = Cp(T2 -T1) (3-3) - Tính công thay đổi thể tích l, nhiệt lượng q trao đổi quá trình và hệ số ∆ biến hoá lượng: α= - Biểu diễn quá trình trên đồ thị p-v, T-s và nhận xét 3.3 CÁC QUÁ TRÌNH CÓ MỘT THÔNG SỐ BẤT BIẾN 3.3.1 Quá trình đẳng nhiệt a Định nghĩa quá trình Quá trình đẳng nhiệt là quá trình nhiệt động tiến hành điều kiện nhiệt độ không đổi T = const,dt = (3-4) b Quan hệ các thông số Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng pv = RT, mà R = const và T = const, đó suy ra: pv = RT = const (3-5) hay: p1v1 = p2v2 (3-6) nghĩa là quá trình đẳng nhiệt, thể tích thay đổi tỷ lệ nghịch với áp suất, suy ra: = (3-7) c Công thay đổi thể tích quá trình Vì quá trình đẳng nhiệt có T = const, nên công thay đổi thể tích: l = ∫ pdv = ∫ RT = RT ln (3-8) hay: l = RT ln l = RT ln d Công kỹ thuật quá trình lkt = ∫ −vdp = ∫ RT = p v ln = p v ln = RTln = p v ln = p v ln = RTln (3-9) (3-10) = (3-11) Trong quá trình đẳng nhiệt công thay đổi thể tích công kỹ thuật 32 e Nhiệt lượng ợng trao đổi với môi tr trường Lượng ợng nhiệt tham gia vvào quá trình xác định ịnh theo định luật nhiệt động I là: dq = du + dl = di + ddlkt , mà quá trình đẳng ẳng nhiệt dT = nên n du = và di = 0, đó có th thể viết: dq = ddl = dlkt q = l = lkt (3-12) Hay: q= (3-13) có thể tính: dq = Tds Tds⇒q = T(s2 - s1) (3-14) g Biến thiên entropi quá trình Độ biến thiên ên entrôpi ccủa quá trình ợc xác định biểu thức: ds = (3-15) 15) mà theo phương trình trạng ạng thái ta có: thay vào (3-15) ta được: ợc: ds = R Lấy tích phân (3-16) 16) ta có: ∆s = = (3-16) = Rln = Rln (3-17) h Hệ số biến đổi lượng ợng quá tr trình α= =0 (3-18) k Biểu diễn trên đồ thị Quá trình đẳng ẳng nhiệt đđược biểu thị đường ờng cong hypecbôn cân 1-2 trên đồ thị p-vv (hình 3.1a) và đường thẳng năm ngang 1-2 trên đồ thị T-s T (hình 3.1b) Trên đồ thị p-v, diện ện tích 12p2p1 biểu diễn công kỹ thuật, còn òn diện di tích 12v2v1 biểu ểu diễn công thay đổi thể tích.Tr tích.Trên đồ thị T-s diện ện tích 12s2s1 biểu diễn nhiệt lượng ợng trao đổi quá tr trình đẳng nhiệt a b Hình 3.1 Đồ thị p -v và T - s quá trình đẳng nhiệt 33 3.3.2 Quá trình đẳng áp a Định nghĩa quá trình Quá trình đẳng áp là quá trình nhiệt động tiến hành điều kiện áp suất không đổi p = const, dp = (3-19) b Quan hệ các thông số Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng pv = RT, ta có: = ; mà R = const và p = const, đó suy ra: = = const (3-20) nghĩa là quá trình đẳng áp, thể tích thay đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ, suy ra: = hay = (3-21) c Công thay đổi thể tích quá trình Vì quá trình đẳng áp có p = const, nên công thay đổi thể tích: l = ∫ pdv = p(v2 - v1) = R(T2 - T1) (3-22) d Công kỹ thuật quá trình lkt = ∫ −vdp = vì dp = (3-23) Trong quá trình đẳng áp công kỹ thuật e Nhiệt lượng trao đổi với môi trường Lượng nhiệt tham gia vào quá trình xác định theo định luật nhiệt động I là: q = ∆i + lkt, mà lkt = nên: q = ∆i = Cp(T2 - T1) (3-24) g Biến thiên entropi quá trình Độ biến thiên entrôpi quá trình xác định biểu thức: dq = di - vdp = di (vì dp = 0), đó ta có: ds = = Lấy tích phân ta có: ∆s =∫ =∫ = Cpln h Hệ số biến đổi lượng quá trình ∆ ( ) α= = = ( ) = Cpln (3-25) (3-26) k Biểu diễn trên đồ thị Quá trình đẳng áp biểu thị đoạn thẳng nằm ngang 1-2 trên đồ thị p-v (hình 3.2a) và đường cong lôgarit 1-2 trên đồ thị T-s (hình 3.2b).Diện tích12v2v1 trên đồ thị p-v biểu diễn công thay đổi thể tích, còn diện tích 12s2s1 trên đồ thị T-s biểu diễn nhiệt lượng trao đổi quá trình đẳng áp 34 Đểể so sánh độ dốc đđường đẳng tích và đường đẳng áp trên ên đô thị t pv, ta dựa vào quan hệ: dsv = và dsp = , từ đó suy ra: vì Cp > Cv Từ đó ta thấy: trên đồồ thị T - s, đường ờng cong đẳng tích dốc h đường cong đẳng áp a b Hình 3.2 Đồ th thị p -v và T - s quá trình đẳng áp 3.3.3 Quá trình đẳng tích a Định nghĩa quá trình Quá trình đẳng tích là quá trình nhi nhiệt động tiến hành ành điều kiện thể tích không đổi v = const, dv = (3-27) b Quan hệệ các thông số Từ phương trình trạng ạng thái khí lý ttưởng ởng pv = RT, ta có: ; mà R = const và v = const, đó suy ra: = const (3-28) nghĩa là quá trình đẳng ẳng tích, thể tích thay đổi tỷ lệ thuận với ới nhiệt độ, suy ra: hay (3-29) c Công thay đổi ổi thể tích quá tr trình Vì quá trình đẳng tích có v = const, nghĩa là dv = nên công thay đổi đ thể tích: l= =0 (3-30) d Nhiệt lượng ợng trao đổi với môi tr trường Lượng ợng nhiệt tham gia vvào quá trình ợc xác định theo định luật nhiệt độngI là: q =l +∆u, mà l= = nên: q = ∆u = Cv(T2 - T1) (3-31) g Biến thiên entropi quá tr trình Độ biến thiên ên entrôpi ccủa quá trình xác định ằng biểu thức: ds = 35 Lấy tích phân ta có: ∆ss = s2 - s1 = (3-32) hay ∆ss = Cvln = Cvln (3-33) h Hệ số biến đổi lượng ợng quá tr trình α= =1 (3-34) Như quá trình ình đẳng tích, nhiệt lượng tham gia vào quá trình để làm thay đổi ổi nội chất khí k Biểu diễn trên đồ thị Trạng ạng thái nhiệt động môi chất ho hoàn toàn xác định ịnh biết hai thông số ố độc lập nó.Bởi ta có thể chọn hai thông số độc lập nào đó để lập đồ thị biểu ểu diễn trạng thái môi chất, đồ thị đó đ gọi là đồ thị trạng thái Quá trình đẳng tích đư ược biểu thị đoạn thẳng đứng 1-2 trên đồ đ thị p-v (hình 3.3a) và đường ờng cong lôgarit tr trên đồ thị T-s (hình 3.3b).Di b).Diện tích 12p2p1 trên đồ thị p-v biểu ểu diễn công kỹ thuật, ccòn diện tích 12s2s1 trên đồ đ thị T-s biểu diễn nhiệt lượng ợng trao đổi quá tr trình đẳng tích a b Hình 3.3 Đồ thịị p -v và T - s quá trình đẳng tích 3.3.4 Quá trình đoạn nhiệt a Định nghĩa quá trình Quá trình đoạn nhiệt là quá trình nhiệt động tiến hành ành điều kiện không trao đổi nhiệt ệt với môi tr trường q = const, dq = (3-35) b Phương trình quá trình ình Từ các dạng phương tr trình định luật nhiệt động I ta có: dq = CpdT - vdp = dq = CvdT + pdv = suy ra: CpdT = vdp (3-36) CvdT = - pdv (3-37) Chia (3-35) cho (3-36) 36) ta đư được: 36 = − +k hay: = k (3-38) = (3-39) Lấy tích phân vế (3-39) ta được: lnp + k.lnv = const hay: pvk = const (3-40) Đây là phương trình quá trình đoạn nhiệt với số mũ đoạn nhiệt là k c Quan hệ các thông số Từ (3-40) ta có: p1v = p2v = hay: (3-41) Từ phương trình trạng thái ta có: p = = ⇒ Từ (3-41) và (3-42) ta suy ra: , thay vào (3-41) ta được: = (3-42) = (3-43) d Công thay đổi thể tích quá trình Có thể tính công thay đổi thể tích theo định luật nhiệt động I: q = ∆u + l = 0; suy ra: l = ∆u = Cv(T1 - T2) (3-44) có thể tính công thay đổi thể tích theo định nghĩa: dl = pdv, hay: l = ∫ pdv (3-45) Từ (3-40) ta có: p1v = pvk, suy ra: p = biểu thức (3-45) ta công thay đổi thể tích: l = p1v ∫ Từ công thức (3-38) ta có: k = - , thay giá trị p vào = (3-46) (3-47) Từ đó suy quan hệ công thay đổi thể tích và công kỹ thuật quá trình đoạn nhiệt là: lkt = k.l (3-48) g Biến thiên entropi quá trình Độ biến thiên entropi quá trình đoạn nhiệt: (3-49) ds = = hay s1 = s2 nghĩa là quá trình đoạn nhiệt entropi không thay đổi h Hệ số biến đổi lượng quá trình Vì q = nên: ∆ α= =∞ k Biểu diễn trên đồ thị (3-50) 37 Quá trình đoạn ạn nhiệt đđược biểu thị đường ờng cong hypecbôn 1-2 trên đồ thị p-v (hình 3.4a) và đư đường thẳng đứng 1-2 trên đồ thị T-ss (hình 3.4b) Trên đồ thị p-v, diện ện tích 12p2p1 biểu diễn công kỹ thuật, còn diện ện tích 12v2v1 biểu ểu diễn công thay đổi thể tích, đường biểu diễn quá trình đoạn ạn nhiệt dốc h đường đẳng nhiệt vì lkt = k.l mà k > a b Hình 3.4 Đồ thị p -v và T - s quá trình đoạn nhiệt 3.3.5 Quá trình đa biến a Định nghĩa quá trình: quá uá trình đa biến là quá trình nhiệt ệt động đ tiến hành điều kiện nhiệt ệt dung ri riêng quá trình không đổi Cn = const (3-51) Trong quá trình đa biến, ến, thông số trạng thái có thể thay đổi và v hệ có thể trao đổi nhiệt vàà công vvới môi trường b Quan hệệ các thông số Để xây dựng phương ương tr trình quá trình đa biến ến ta sử dụng các dạng d công thức ức định luật nhiệt động I vvà chú ý nhiệt lượng ợng trao đổi quá trình đa biến ến có thể tính theo nhiệt dung ri riêng đa biế là dq = CndT, ta có: dq = CpdT - vdp = CndT (a) dq = CvdT + pdv = CndT (b) Từ đó suy ra: (Cn - Cp)dT = - vdp (c) (Cn - Cv)dT = pdp (d) Chia vế theo vế phương ương tr trình (c) cho (d) ta được: (3-52) Ký hiệu: n= (3-53) Ta thấy n là ột số vvì Cn, Cp và Cv là các ằng số Từ (3-52) và (3-53) ta có: 38 n=− (3-54) hay npdv + vdp = 0, chia hai phương trình cho pv ta được: +n =0 Lấy tích phân ta được: n.lnv + lnp = Tiếp tục biến đổi ta phương trình quá trình đa biến: pvn = const (3-55) đó n là số mũ đa biến So sánh biểu thức (3-39) với (3-55) ta thấy: phương trình quá trình đa biến giống hệt dạng phương trình quá trình đoạn nhiệt Từ đó các biến đổi tương tự khảo sát quá trình đoạn nhiệt và chú ý thay số mũ đoạn nhiệt k số mũ đa biến n, ta các biểu thức quá trình đa biến c Công thay đổi thể tích quá trình Có thể tính công thay đổi thể tích theo định luật nhiệt động I, có thể tính theo định nghĩa dl = pdv, tương tụ quá trình đoạn nhiệt l = ∫ pdv = 1− (3-56) Công kỹ thuật quá trình: lkt = k.l (3-57) d Nhiệt lượng trao đổi với môi trường Lượng nhiệt trao đổi với môi trường quá trình xác định theo nhiệt dung riêng quá trình đa biến là: dq = CndT = Cn(T2 - T1) (3-58) Tính cho G kg môi chất: Q = GCn(T2 - T1) (3-60) g Biến thiên entropi quá trình Độ biến thiên entrôpi quá trình xác định biểu thức: ds = = Lấy tích phân ta có: ∆s = ∫ = Cnln h Hệ số biến đổi lượng quá trình ∆ α= = (3-61) (3-62) Như quá trình đẳng tích, nhiệt lượng tham gia vào quá trình để làm thay đổi nội chất khí k Biểu diễn trên đồ thị 39 Quá trình đa biến 1-22 bbất kỳ với n = -∞ ÷ +∞ ợc biểu diễn trên tr đồ thị p-vvà T-s hình 3.5 Sốố mũ đa biến thay đổi từ -∞theo chiều ều kim đồng hồ tăngdần lên đến ến 0, k (k > 0) vvà cuối cùng +∞ Trên đồ thị p-v, đường ờng cong biểu diễn quá trình đa biến ến dốc h đường congcủa quá trình, ình, vì quá trình đẳng nhiệt có n = 1, còn quá trình đoạn đo nhiệt có n = k, ( k> 1) a b Hình 3.5 Đồ th thị p -v và T - s quá trình đa biến Tính tổng quát quá tr trình: Quá trình đa biến làà quá trình ttổng quát với số mũ đa biến n = -∞ ÷ +∞, cácquá trình nhiệt động bbản còn lại là các trường hợp riêng êng c nó n Thậtvậy, từ phương trình ình pv = const ta thấy: - Khi n = 0, phương trình ình ccủa quá trình là pv0 = const, hay p = const với v nhiệtdung riêng Cn = Cp, quá trình là đẳng áp - Khi n = 1, phương trình ình ccủa quá trình là pv1 = const, hay T = const với v nhiệtdung riêng CT = ±∞, ∞, quá tr trình là đẳng nhiệt - Khi n = k, phương trình ình ccủa quá trình là pvk = const, hay q = với nhiệt dung riêng Cn = 0, quá trình là đoạn nhiệt - Khi n = ±∞, phương trình ình ccủa quá trình là pv±∞ = const, hay v = const vớinhiệt dung riêng Cn = Cv, quá trình là đẳng tích Như các quá trình đoạn ạn nhiệt (C = 0), đẳng nhiệt (C = ±∞), đẳng tích (C = Cv), đẳng áp (C = Cp) là các tr trường hợp riêng quá trình đa biến 3.4CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆ ỆT ĐỘNG CỦA KHÍ THỰC 3.4.1 Hơi nước là khí thự ực Hơi nước ớc có nhiều ưu điểm so với các môi chất khác: có nhiều nhi thiên nhiên, rẻ tiền, đặc ặc biệt llà không độc hại môi trường vàà không ăn mòn thiết bị, đó nó ợc sử dụng nhiều các ng ngành ành công nghiệp nghi 40 Hơi nước thường sử dụng thực tế trạng thái gần trạng thái bão hoà nên không thể bỏ qua thể tích thân phân tử và lực hút chúng.Vì không thể dùng phương trình trạng thái lý tưởng cho nước Phương trình trạng thái cho nước dùng nhiều là phương trình Vukalovich-novikov: (p + )(v − b) = RT(1 − / ) = (3-63) Ở đây: a, b, m là các hệ số xác định thực nghiệm Từ công thức này người ta đã xây dựng bảng và đồ thị nước 3.4.2 Quá trình hóa và ngưng tụ nước 3.4.2.1 Quá trình hóa Nước có thể chuyển từ thể lỏng sang thể nhờ quá trình hoá Quá trình hoá có thể là bay sôi a Quá trình bay hơi: quá trình bay là quá trình hoá xảy trên bề mặt thoáng chất lỏng, nhiệt độ bất kì - Điều kiện để xảy quá trình bay hơi: Muốn xảy quá trình bay thì cần phải có mặt thoáng - Đặc điểm quá trình bay hơi: Quá trình bay xảy các phân tử nước trên bề mặt thoáng có động lớn sức căng bề mặt và thoát ngoài, quá trình bay xảy bất kì nhiệt độ nào - Cường độ bay phụ thuộc vào chất và nhiệt độ chất lỏng Nhiệt độ càng cao thì tốc độ bay càng lớn b Quá trình sôi: quá trình sôi là quá trình hoá xảy lòng thể tích chất lỏng - Điều kiện để xảy quá trình sôi: Khi cung cấp nhiệt cho chất lỏng thì nhiệt độ nó tăng lên và cường độ bay tăng lên, đến nhiệt độ xác định nào đó thì tượng bay xảy toàn thể tích chất lỏng, đó các bọt xuất trên bề mặt nhận nhiệt lẫn lòng chất lỏng, ta nói chất lỏng sôi Nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hoà - Đặc điểm quá trình sôi: Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào chất và ápsuất chất lỏng đó Ở áp suất không đổi nào đó thì nhiệt độ sôi chất lỏng không đổi, áp suất chất lỏng càng cao thì nhiệt độ sôi càng lớn và ngược lại 3.4.2.2 Quá trình ngưng tụ Quá trình ngược lại với quá trình sôi là quá trình ngưng tụ, đó nhả nhiệt và biến thành chất lỏng.Nhiệt độ chất lỏng không thay đổi suốt quá trình ngưng tụ 41 3.4.3 Các quá trình nhiệt động thực tế 3.4.3.1 Quá trình lưu động a Khái niệm: quá trình lưu động là chuyển động môi chất Khi khảo sát dòng lưu động, ngoài các thông số trạng thái áp suất, nhiệt độ v.v ta còn phải xét thông số là tốc độ, kí hiệu là ϖ b Các điều kiện khảo sát Để đơn giản, khảo sát ta giả thiết: - Dòng lưu động là ổn định: nghĩa là các thông số môi chất không thay đổi theo thời gian - Dòng lưu động chiều: vận tốc dòng không thay đổi tiết diện ngang - Quá trình lưu động là đoạn nhiệt: bỏ qua nhiệt ma sát và dòng không trao đổi nhiệt với môi trường - Quá trình lưu động là liên tục: các thông số dòng thay đổi cách liên tục, không bị ngắt quãng và tuân theo phương trình liên tục: G = ϖ.ρ.f = const (3-64) Ở đây: G -lưu lượng khối lượng [kg/s]; ϖ - vận tốc dòng [m/s]; f -diện tích tiết diện ngang dòng nơi khảo sát [m2]; ρ- khối lượng riêng mổi chất [kg/m3]; c Các qui luật chung quá trình lưu động - Tốc độ âm thanh: tốc độ âm là tốc độ lan truyền sóng chấn động môi trường nào đó Tốc độ âm môi trường khí xác định theo công thức: a = kpv = √kRT (3-65) Ở đây: a - tốc độ âm [m/s]; k - số mũ đoạn nhiệt; p - áp suất môi chất [N/m2]; v - thể tích riêng [m3/kg]; R - Hằng số chất khí [J/kg0K]; T - nhiệt độ tuyệt đối môi chất [0K]; Từ (3-65) ta thấy tốc độ âm phụ thuộc vào chất và các thông số trạng thái môi chất Tỷ số tốc độ dòng với tốc độ âm gọi là số Mach, ký hiệu là M ϖ M= (3-66) 42 Khi: +ϖ< a nghĩa làà M < 1, ta nói dòng llưu động âm thanh, +ϖ = a nghĩa làà M = 1, ta nói dòng llưu động âm thanh, +ϖ>a nghĩa là M > 1, ta nói dòng llưu động trên ên âm (vượt (vư âm thanh) Dòng lưu động ộng ống llà ột hệ hở, đó ta theo định luật nhiệt động ta có thể viết: dq = di - vdp (3-67) dq = di + d (3-68) - Quan hệ tốc độ và hình dáng ống Vì dòng đoạn nhiệtt có ddq = 0, nên từ (3-67) và (3-68) ta suy ra: d = -vdp ϖddϖ = -vdp (3-69) Các đại lượngϖ,, v, p luôn dương, đó ϖ ngược dấu vớii p, nghĩa ngh là: - Khi tốc độ tăng (dϖ> > 0) thì áp su suất giảm (dp < 0), ống loạii này là ống tăng tốc Ống tăng tốc đượcc dùng đđể tăng động dòng môi chấtt tuốc tu binhơi, tuốc bin khí - Khi tốc độ tăng (dϖ< < 0) thì áp su suất tăng (dp > 0), ống loạii này là ống tăng áp.Ống tăng áp đượcc dùng đđể tăng áp suất chấtt khí máy nén ly l tâm, động phản lực 3.4.3.2 Quá trình tiết lưu a Khái niệm Quá trình tiếtt lưu là quá tr trình giảm áp suấtt mà không sinh công, môi chất chuyển động ng qua ch chỗ tiết diện bị giảm đột ngột Trong thực tế,, dòng môi ch chất chuyển động ng qua van, lá chắn ch v.v chỗ có tiết diệnn thu hhẹp đột ngột, trở lực tăng đột ngột, t, áp suất su dòng phía sau tiết diện nh nhỏ trước tiết diện, giảm áp suấtt này không sinh công mà nhằm khắcc ph phục trở lựcc ma sát dòng xoáy sinh sau tiết diện thu hẹp Hình 33.6 Quá trình tiết lưu 43 Thực tế quá trình tiết lưu xẩy nhanh, nên nhiệt lượng trao đổi với môi trường bé, vì có thể coi quá trình là đoạn nhiệt, không thuận nghịch nên Entropi tăng Độ giảm áp suất quá trình tiết lưu phụ thuộc vào tính chất và các thông số môi chất, tốc độ chuyển động dòng và cấu trúc vật cản b Tính chất quá trình tiết lưu Khi tiết diện 11 cách xa tiết diện 2-2, qua quá trình tiết lưu các thông số môi chất thay đổi sau: - Áp suất giảm: ∆p = p2 - p1< (3-70) - Entropi tăng: ∆s = s2 - s1> (3-71) - Entanpi khôngđổi: ∆i = i2 - i1 = (3-72) - Tốc độ dòng không đổi: ∆ϖ= ϖ2 - ϖ1 = (3-73) 3.4.3.3 Quá trình nén khí a Các loại máy nén Máy nén khí là máy để nén khí đến áp suất cao theo yêu cầu Máy nén tiêu tốn công để nâng áp suất môi chất lên Theo nguyên lý làm việc, có thể chia máy nén thành hai nhóm: - Nhóm thứ gồm máy nén pít tông, máy nén bánh răng, máy nén cánhgạt Ở máy nén pít tông, khí hút vào xy lanh và nén đến áp suất cần thiếtrồi đẩy vào bình chứa (máy nén rôto thuộc loại này), quá trình nén xẩy theo chu kỳ Máy nén loại này còn gọi là máy nén tĩnh vì tốc độ dòng khí không lớn.Máy nén pít tông đạt áp suất lớn suất nhỏ - Nhóm thứ hai gồm máy nén ly tâm, máy nén hướng trục Đối với các máy nén nhóm này, để tăng áp suất môi chất, đầu tiên phải tăng tốc độ dòng khí nhờ lực ly tâm, sau đó thực quá trình hãm dòng để biến động dòng thành năng.Loại này có thể đạt suất lớn áp suất thấp Tuy khác cấu tạo và đặc tínhkỹ thuật, quan điểm nhiệtđộng thì các quá trình tiến hành máy nén hoàn toàn nhau.Sau đây ta nghiên cứu máy nén pít tông b Máy nén pít tông cấp lý tưởng Khi phân tích quá trình nhiệt động máy nén pít tông cấp lý tưởng, ta giả thiết: 44 - Toàn thể tích xy lanh là th thể tích có ích, nghĩa là đỉnh nh pít tông có thể th áp sát nắp xy lanh - Dòng khí chuyển động ng không có ma sát, ngh nghĩa là áp suấtt hút khí vào xy lanh luôn áp suất môi trường ng p1và áp suất đẩy khí vào bình chứaa luôn b áp suất khí bình chứa p2 Nguyên lý cấu tạo củủa máy nén pít tông cấp biểu u diễn di trên hình 3.7, gồm các phận n chính: Xylanh 1, pít tông 2, van hút 3, van xả x 4, bình chứa5 a b Hình 3.7Các 7Các quá trình máy nén khí m cấp lý tưởng ng - Những ng quá trình máy nén pít tông m cấp lý tưởng + Quá trình nạp khí 1: Khi pít tông từ điểm m ttận cùng đáy xy lanh phía trái bắắt đầu dịch chuyển sang phải thì van nạạp mở và khí có trạng thái (p1, t1) đượcc hút vào xy lanh Quá trình hút kếtt thúc pít tông đđến điểm (điểm chết) t) Trong quá trình nạp 4-1 trạng thái củaa khí không đđổi mà thay đổi đồng ng thời th khối lượng G và thể tích V Trạng ng thái đó trên đđồ thị thị p-V đượcc biểu bi diễn điểm1 Như vậy, y, quá trình nnạp không phải là quá trình nhiệt độ ộng + Quá trình nén 1-2: Từ điểm chết phảii pít tông bbắt đầu dịch chuyển n sang trái Khi đó c van nạp và van đẩy đềuu đóng nên th thể tích khí giảm và áp suấtt khí tăng từ t p1 đến p2 Quá trình nén có thểể thực theo đường đẳng nhiệt 1-2T, đoạn đo nhiệt 1-2k hay đa biến 1-2n Quá trình nén đẳng nhiệt 1-22T (n = 1): từ đồ thị p-V trên hình 3.7 có thể th thấy công nén quá trình đđẳng nhiệt là công nhỏ (bằng diện n tích phần ph a12Tb) Tuy nhiên để thựcc hi quá trình nén đẳng nhiệt ta phảải làm mát hệ thống vì nén nhiệt độộ khí tăng lên Vì vậy, thực tế, để giảm gi công 45 tiêu hao máy nén làm mát để quá trình nén là đẳng nhiệt hay chính xác là gần với đẳng nhiệt Quá trình nén đoạn nhiệt 1-2k (n = k): trường hợp này công tiêu hao là lớn và trên đồ thị p-V biểu diễn diện tích a12kb Vì kỹ thuật, máy nén không cách nhiệt mà ngược lại luôn cố gắng làm mát tối đa Quá trình nén đa biến 1-2n (1 < n < k): đây là quá trình nén thực tế, công tiêu hao trường hợp này biểu diễn diện tích a12nb + Quá trình đẩy khí nén vào bình chứa Khi khí đạt đến trạng thái có áp suất p2 theo yêu cầu thì van đẩy mở và pít tông tiếp tục dịch chuyển sang trái, khí đưa vào bình chứa Tương tự quá trình nạp, quá trình đẩy khí 2-3 không phải là quá trình nhiệt động, trạng thái nó không đổi và biểu diễn điểm với cặp thông số (p2, t2) c Máy nén pít tông cấp thực Trong máy nén thực không thể cho đỉnh pít tông dịch chuyển đến tận cùng đáy xy lanh máy nén lý tưởng mà đáy xy lanh và đỉnh pít tông phải có khoảng cách định để pít tông không đập vỡ đáy xy lanh Thể tích khoảng này gọi là thể tích thừa Vt Do có thể tích thừa nên sau quá trình đẩy khí nén vào bình chứa kết thúc áp suất p2 và pít tông bắt đầu dịch chuyển từ điểm chết trái sang điểm chết phải thì trước hết, lượng khí thể tích thừa trạng thái giãn nở từ áp suất p2 xuống áp suất p1 đến trạng thái theo quá trình 3-4 Khi áp suất xy lanh p1 van nạp mở và khí ngoài môi trường hút vào xy lanh theo quá trình 4-1 Do đó lượng khí hút V hành trình pít tông không phải V1 máy nén lý tưởng mà V = V1 - V4 Rõ ràng V < V1 nên suất máy nén thực nhỏ suất máy nén lý tưởng, nói cách khác, thể tích thừa đã làm giảm lượng khí hút vào máy nén Hiệu suất thể tích λt: để đánh giá ảnh hưởng thể tích thừa người ta đưa khái niệm hiệu suất thể tích λt: hiệu suất thể tích là tỷ số thể tích khí hút V và thể tích ứng với hành trình pít tông Vh, hay: λt = (3-74) 3.5 QUÁ TRÌNH HỖN HỢP CỦA KHÍ VÀ HƠI (KHÔNG KHÍ ẨM) 3.5.1 Khái niệm, tính chất và phân loại a Khái niệm: không khí ẩm (khí quyển) là hỗn hợp gồm không khí khô và nước b Tính chất: 46 Không khí khô là hỗn hợp các khí có thành phần thể tích: Nitơ khoảng 78%; Oxy: 20,93%; Carbonnic và các khí trơ khác chiếm khoảng 1% Hơi nước không khí ẩm có phân áp suất nhỏ (khoảng 15 đến 20mmHg), đó nhiệt độ bình thường thì nước khí là quá nhiệt, ta coi nó là khí lý tưởng Như vậy, có thể coi không khí ẩm là hỗn hợp khí lý tưởng, có thể sử dụng các công thức hỗn hợp khí lý tưởng để tính toán không khí ẩm, nghĩa là: Nhiệt độ không khí ẩm: T = Tkk = Th (3-75) Áp suất không khí ẩm: p = pkk = ph (3-76) Thể tích V: V = Vkk + Vh (3-77) Khối lượng G: G = Gkk + Gh (3-78) c Phân loại không khí ẩm Tuỳ theo lượng nước chứa không khí ẩm, ta chia chúng thành loại: -Không khí ẩm bão hoà: không khí ẩm bão hòa là không khí ẩm mà đó lượng nước đạt tới giá trị lớn G = Gmax Hơi nước đây là bão hòa khô, biễu diễn điểm A trên đồ thị T-s hình 3.8 - Không khí ẩm chưa bão hòa: không khí ẩm chưa bão hòa là không khí ẩm mà đó lượng nước chưa đạt tới giá trị lớn G < Gmax, nghĩa là còn có thể nhận thêm lượng nước trở thành không khí ẩm bão hòa Hơi nước đây là quá nhiệt, biểu diễn điểm B trên đồ thị T-s hình 3.8 - Không khí ẩm quá bảo hòa: không khí ẩm quá bão hòa là không khí ẩm mà đó ngoài lượng nước lớn Gmax, còn có thêm lượng nước ngưng chứa nó Hơi nước đây là bão hòa ẩm Hình 3.8 Đồ thị T-s nước Nếu cho thêm lượng nước vào không khí ẩm bão hòa thì có lượng chừng đó nước ngưng tụ lại thành nước, đó không khí 47 ẩm bão hòa trở thành không khí quá bão hòa.Ví dụ sương mù là không khí ẩm quá bão hòa vì đó có các giọt nước ngưng tụ Từ đồ thị hình 3.8 ta thấy, có thể biến không khí ẩm chưa bão hòa thành không khí ẩm bão hòa hai cách: + Giữ nguyên nhiệt độ không khí ẩm th = const, tăng phân áp suất nước từ ph đến phmax (quá trình BA1) áp suất phmax là áp suất lớn hay còn gọi là áp suất bão hòa Nghĩa là tăng lượng nước không khí ẩm chưa bão hòa để nó trở thành không khí ẩm bão hòa + Giữ nguyên áp suất ph = const, giảm nhiệt độ không khí ẩm từ th đến nhiệt độ đọng sương ts (quá trình BA2) Nhiệt độ đọng sương ts là nhiệt độ đó ngưng tụ lại thành nước 3.5.2 Các đại lượng đặc trưng a Độ ẩm tuyệt đối: độ ẩm tuyệt đối là khối lượng nước chứa 1m3 không khí ẩm Đây chính là khối lượng riêng nước không khí ẩm ρh= , [kg/m3] (3-79) b Độ ẩm tương đối: độ ẩm tương đối φlà tỷ số độ ẩm tuyệt đối không khí chưa bão hòa ρh và độ ẩm tuyệt đối không khí ẩm bão hòa ρhmax cùng nhiệt độ ρ ϕ= (3-80) ρ Từ phương trình trạng thái không khí ẩm chưa bão hòa: phV = GhRhT và bão hòa: phmax V = GhmaxRhT, suy ra: ρh = = (a) và ρhmax = Chia (a) cho (b) ta được: ρ ϕ= ρ = = (b) (3-81) vì ≤ ph≤ phmax nên ≤ φ ≤ 100% Không khí khô có φ = 0, không khí ẩm bão hòa có φ = 100% Độ ẩm thích hợp cho sức khỏe động vật là φ = (40 ÷ 75)%, cho bảo quản lạnh thực phẩm là 90% c Độ chứa d: độ chứa d là lượng chứa 1kg không khí khô (1+d) kg không khí ẩm d = , [kg nước/kg không khí khô] (3-82) Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng viết cho nước và không khí khô ta có: 48 Gh = và Gk = thay các giá trị G vào (3 82) ta được: d= = ; [kg nước/kg không khí khô] (3-83) d Entanpi không khí ẩẩm: entanpi không khí ẩm tổng ng entanpi củaa không khí khô và entanpi ccủa nước chứa đó Trong kỹ thuật thường tính entanpi củaa 1kg không khí khô và d kg nnướcc chứa ch (1+d)kg không khí ẩm, m, kí hi hiệu là i: i = ik + d.ih; [kJ/kgK] (3-84) Trong đó: ik - entanpi củaa 1kg không khí khô; ik = Cpkt, mà Cpk = 1kJ/kgK vì ik = t; ih - entanpi nư ước, không khí ẩm chưaa bão hoà thì h nước là quá nhiệt có ih = 2500 + Cpht = 2500 + 1,9t; Cuốii cùng ta có: I = t + d(25 d(2500 + 1,9t); (kJ/kgK) 3.5.3 Các quá trình củaa không khí ẩm a Quá trình sấy Quá trình sấyy là quá trình làm gi giảm độ ẩm vật muốn sấy y Môi chất ch dùng để sấy thường ng là không khí ẩm chưa bão hòa sản phẩm m cháy c nhiên liệu, nguyên tắcc hoàn toàn gi giống nhau, đây ta khảo o sát quá trình sấyy dùng không khí làm môi ch chất sấy Quá trình sấy đượcc chia làm hai giai đo đoạn: Giai đoạn cấp p nhiệt nhi cho không khí và giai đoạnn không khí ssấy nóng vật sấy và hút ẩm từ vậtt sấy s Hình 3.9 Quá trình sấy Quá trình sấy đượcc bi biểu diễn trên hình 3.9 Không khí từ trạạng thái cấp nhiệtt theo quá trình 11-2 nhiệt độ tăng t1 đến t2, entanpi tăng từ t i1 đến i2,độ ẩm tương đối giảm từ ϕ1 đến ϕ2 độ chứaa không thay đổi đ d1 = const Không khí sau đư sấy nóng vào buồng sấy, tiếp p xúc với v vật sấy, sấy nóng vật sấyy và làm cho nnước vật sấy bay Quá trình ình sấy s 2- 49 có entanpi không đổi (i2 = i3), độ ẩm tương đối không khí tăng từ ϕ2 đến ϕ3 và độ chứa tăng từ d1 đến d3, nghĩa là độ chứa vật sấy bốc giảm - Không khí nhận lượng nước từ vật sấy bốc Gn: Gn = d3 – d1; [kgh/kgK] (3-85) - Lượng không khí khô cần thiết làm bay 1kg nước: Gk = 1/(d3 – d1); [kgh/kgK] (3-86) - Lượng không khí ẩm trạng thái ban đầu cần để làm bay 1kg nước sấy: G = (1 + d1)Gk (3-87) - Lượng nhiệt cần để đốt nóng 1kg không khí khô chứa (1+d)kg không khí ẩm là: q = i2 – i1; [kJ/kgK] (3-88) - Lượng nhiệt cần thiết để làm bay 1kg nước vật sấy: Q = gkq = (i2 – i1)/(d3 – d2); [kJ/kgh] (3-89) b Quá trình điều hòa không khí Thực chất quá trình điều hòa không khí là sấy nóng và làm lạnh không khí, đồng thời điều chỉnh độ ẩm nó đến giá trị nào đó trước đưa không khí vào phòng Điều hòa không khí gồm các quá trình lọc bụi, hỗn hợp không khí với không khí phòng, tăng giảm độ ẩm, nhiệt độ cho phù hợp với yêu cầu môi trường sống để bảo quản vật tư, thiết bị 50 CHƯƠNG 4.CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT Mã số chương: MH 14 - 04 Giới thiệu: Chu trình nhiệt động động nhiệt (động ô tô) là chu trình thuận chiều Vì vậy, các kiến thức chương này giúp người học giải thích và phân tích sâu quá trình hoạt động động xe ô tô Mục tiêu: - Phát biểu đúng khái niệm, yêu cầu và phân loại chu trình nhiệt động - Giải thích sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động chu trình thuận chiều (động nhiệt) - Nhận dạng cấu tạo và nguyên lý hoạt động động nhiệt dùng trên xeô tô - Tuân thủ đúng quy định, quy phạm lĩnh vực nhiệt kỹ thuật Nội dung chính: 4.1 KHÁI NIỆM VÀ YÊU CẦU 4.1.1 Khái niệm: chu trình nhiệt động là các quá trình khép kín - Quá trình nhiệt động: là quá trình biến đổi trạng thái hệ nhiệt động Trong quá trình nhiệt động phải có ít thông số trạng thái thay đổi Điều kiện để có thay đổi trạng thái nhiệt động là có trao đổi nhiệt công với môi trường xung quanh - Quá trình nhiệt động bản: là quá trình nhiệt động, đó có ít thông số trạng thái thông số nhiệt động môi chất công tác không thay đổi - Quá trình cân bằng: là quá trình đó môi chất công tácbiến đổi qua các thông số trạng thái cân Quá trình cân biểu diễn đường cong trên các hệ trục tọa độ trạng thái, đó các trục thể các thông số trạng thái độc lập - Quá trình thuận nghịch: là quá trình cân và có thể biến đổi ngược lại để trở trạng thái ban đầu mà hệ nhiệt động và môi trường xung quanh không có thay đổi gì Ngược lại, các điều kiện trên không đạt thì đó là quá trình không thuận nghịch Mọi quá trình thực tự nhiên là quá trình không thuận nghịch.Trong kỹ thuật, quá trìnhđược thực càng gần với quá trình thuận nghịch thì càng có lợi công và nhiệt Biểu diễn chu trình nhiệt động:chu trình nhiệt động thường biểu diễn trên các hệ trục tọa độ trạng thái Tùy thuộc mục đích nghiên cứu, các trục hệ trục tọa độ trạng thái là các thông số trạng thái khác Đường biểu diễn chu trình nhiệt động trên hệ trục p - V gọi là đồ thị công, đường biểu diễn trên hệ trục T - s gọi là đồ thị nhiệt 51 4.1.2 Yêu cầu Để nghiên cứu các quá trình chu trình nhiệt đông, ta giả thiết: - Môi chất là khí lý tưởng và đồng - Các quá trình xẩy là thuận nghịch - Quá trình cháy là quá trình cấp nhiệt, quá trình thải sản phẩm cháy là quá trình nhả nhịêt - Công quá trình nạp môi chất và quá trình thải sản phẩm cháy triệt tiêu lẫn và biến hệ đây thành hệ kín 4.2 PHÂN LOẠI CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Dựa vào các khái niệm các quá trình nêu trên chu trình nhiệt động phân loại thành: - Chu trình nhiệt động thuận nghịch: làchu trình mà đó tất các quá trình thuận nghịch - Chu trình thuân chiều: là chu trình biến đổi nhiệt thành công - Chu trình ngược chiều: là chu trình biến đổi công thành nhiệt Sau đây nghiên cứu số chu trình nhiệt động thực tế 4.2.1 Chu trình động đốt a Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp Trong chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, nhiên liệu bơm cao áp nén đến áp suất cao, phun vào xy lanh dạng sương mù Trong xy lanh không khí đã nén đến áp suất và nhiệt độ cao, vào xy lanh gặp không khí nhiên liệu tự bốc cháy Quá trình cháy gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu cháy đẳng tích, giai đoạn sau cháy đẳng áp Chu trình cháy lý tưởng động đốt cấp nhiệt hỗn hợp trình bày trên hình 4.1 Chu trình gồm: -2 là quá trình nén đoan nhiệt 2-2’ là quá trình cấp nhiệt đẳng tích, môi chất nhận nhiệt lượng q1’ 2’-3 là quá trình cấp nhiệt đẳng áp, môi chất nhận nhiệt lượng q1” 3-4 là quá trình giãn nở đoạn nhiệt 4-1 là quá trình nhả nhiệt đẳng tích, nhả nhiệt lượng q2 + Các đại lượng đặc trưng cho chu trình: - Thông số trạng thái đầu: p1, T1 - Tỷ số nén: ε= (4-1) - Tỷ số tăng áp: λ= (4-2) - Hệ số giãn nở sớm: ρ= (4-3) + Hiệu suất chu trình: ηct = | | (4-4) Trong đó: q1 là nhiệt lượng chu trình nhận từ quá trình cháy nhiên liệu, gồm: 52 q1’ là nhiệt lượng ợng nhận đđược từ quá trình cháy đẳng tích 2-2’, 2’, q1” là nhiệt lượng ợng nhận từ quá trình cháy đẳng áp 2’-3, vậy: q1 = q1’+ q1”, q2 là nhiệt lượng ợng cho nguồn lạnh quá tr trình nhảả nhiệt đẳng tích 44 1, Từ đó ta có hiệu suất cchu trình là: ηct = (4-5) vì 2-2’ là quá trình cấp ấp nhiệt đẳn đẳng tích, nên q1” = Cv(T2 - T2’) vì 2’-3 là quá trình cấp nhiệt ệt đẳng áp, q1” = Cp(T3 - T2’) vì 4-1 là quá trình nhảả nhiệt đẳ đẳng tích, nên q2 = Cv(T4 - T1) Thay các giá trị q1’, q1” và q2 vào (4-5) ta được: ηct = - (4-6a) ηct = - (4-6b) Dựa vào đặc ặc điểm quá tr trình các chu trình, ta tiếp ếp tục biến đổi để có thể tính hiệu suất chu trình ình theonhi theonhiệt độ đầu T1 và các đại lượng ợng đặc trưng tr cho chu trình ta có: ηct = - (4-7) Hình 4.1 Chu trình ccấp nhiệt hỗn hợp trên đồ thị p-V và T-ss b Chu trình cấp nhiệt đẳng ng tích Ở chu trình cấp nhiệtt đđẳng tích, nhiên liệu u (xăng) và không khí đư hỗn hợp trước ngoài xy lanh Sau đó hhỗn nhiênliệu u và không khí đư nạp vào xy lanh và nén đoạnn nhi nhiệt đến áp suất và nhiệt độ cao (đượcc biểu bi diễn đoạn 1-2) vẫnn th thấp nhiệt độ tự bốc cháy củaa nó nên nó không tự bốc cháy c Quá trình cháy xxẩy nhờ bugi bật tia lửa điện, n, quá trình cháy (được biểu diễn ng đo đoạn 2-3) xẩy rấtt nhanh làm cho áp suất su xy lanh tăng vọtt lên xy lanh chưa kkịp dịch chuyển, thể tích hỗn h hợp khí xy lanh không đổi, i, vì vvậy quá trình này có thể coi là quá trình cháy đẳng tích Sau đó sản phẩm m cháy giãn nở, đẩy piston dịch chuyểển và sinh công.Quá trình giãn nở này đư coi là đoạn nhiệt, (được biểu diễn n b đoạn 3-4).Cuốii cùng là quá trình th thải sản phẩm cháy ngoài (được biểu u diễn di 53 đoạn 4-1), 1), đây cùng là quá tr trình đẳng tích Các quá trình lặp lại cũ, thực chu trình Hình 4.2 Chu trình ccấp nhiệt đẳng tích Đây chính là chu trình động ôtô chạy xăng hay còn gọii là động đ cháy cưỡng nhờ bugi đánh llửa Đồ thị thay đổi trạng thái củaa môi chất ch biểu diễnn trên hình 4.2 Từ công thức tính hiệệu suất chu trình cấp nhiệt hỗn hợp p (4-7), ( ta thấy: Nếu chu trình cấpp nhi nhiệt hỗn hợp có ρ = 1, tức là v2’ = v2 = v3, quátrình cấp nhiệt còn giai đoạn cháy đẳng tích 2-3, 3, đó chu trình tr cấp nhiệt hỗn hợp trở thành chu trình ccấp nhiệt đẳng tích Khi đó thay ρ = vào công th thức (4-7) ta hiệu suấtt chu trình cấp c nhiệt đẳng tích: (4-8) ηct = Như hiệu suấtt nhi nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng tích phụ thuộc vào tỷ số nén ε c Chu trình cấp nhiệt đẳng ng áp Nếu chu trình cấpp nhi nhiệt hỗn hợp có λ = 1, tức là p2’ = p2 = p3, nghĩa là quá trình cấp nhiệt còn giai đoạn cháy đẳng áp 2-3, 3, đó chu trình tr cấp nhiệt hỗn hợp trở thành chu trình ccấp nhiệt đẳng áp Ở chu trình này, không khí nén đoạn nhiệt đếnn áp su suất và nhiệt độ cao, đến cuốii quá trình nén nhiên liệu phun vào xy lanh dạng sương mù, pha trộn n với v không khí tạo nên hỗn hợpp cháy và ssẽ tự bốc cháy Khi đó thay λ = vào công th thức (4-7) ta hiệu suấtt chu trình cấp c nhiệt đẳng áp: ηct = - (4-9) Như hiệu suấtt nhi nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng tích phụ thuộc vào tỷ số nén ε và tỷ số giãn nởssớm ρ Quá trình thay đổii trạ trạng thái môi chất chu trình đ biểu diễn trên đồ thị p-v và T-ss hình hình4.3 54 Hiện ngườii ta không ch chế tạo động theo heo nguyên lý này n v Hình 4.3 Chu trình ccấp nhiệt đẳng áp d Nhận xét - Hiệu suất nhiệt củaa chu trình động cấp nhiệt hỗn hợp phụ thuộcc vào k - Động cấp nhiệt đẳng ng áp và ccấp nhiệt hỗn hợp có thể làm việcc với v tỷ số nén cao Tuy nhiên đó chi chiều dài xy lanh phảii tăng lên và gặp g khó khăn vấn đề chế ttạo, đồng thời tổn thất ma sát động ng s tăng và làm giảm hiệu suất củaa nó - Trong động cấp nhiệtt đđẳng tích quá trình cháy là cưỡng bứcc (nhờ (nh bugi), ε tăng cao quá trị số gi giới hạn thì hỗn hợp cháy tự bốcc cháy bugi chưa đánh lửa, ảnh hưởng ng xxấu đến chế độ làm việc bình thường ng c động Ngoài tỷ số nén llớn thì tốc độ cháy có thể tăng lên mộtt cách đột đ ngột gây tượng ng kích nnổ (vì hỗn hợp nén là hỗn hợp p cháy) phá hỏng h các chi tiết động Vì tỷ số nén cần lựa chọn phù hợp vớii t loại nhiên liệu e So sánh hiệu suất nhiệt củủa chu trình động đốt Để đánh giá hiệu suấất nhiệt động đốt làm việcc theo các cá chu trình khác nhau, ta so sánh các chu trình vvới các điều kiện sau: - Khi có cùng tỉ số nén ε và nhi nhiệt lượng q1 cấp vào cho chu trình: Trên đồ thị T-s hình 44.4 biểu diễn chu trình: 123v4v1 là chu trình cấp c nhiệt đẳng tích, 122’341 là chu trình cấp nhiệt hỗn hợp và 123p4p1 chu trình cấp nhiệt đẳng ng áp Ba chu trình này có cùng ttỷ số nén ε và nhiệtt lượng lư q1, nghĩa là cùng v1, v2 và các di diện tích a23vd; a22’3c và a23pb ng Từ T (44) ta thấy: y: các chu trình có cùng q1, chu trình nào có q2 nhỏ ơn s có hiệu suất nhiệt cao q2 chu trình cấp nhiệt đẳẳng tích diện tích a14vb là nhỏ t q2 chu trình cấp nhiệt đẳẳng áp diện tích a14pd là lớn q2 chu trình cấp nhiệt hỗỗn hợp diện tích a14c có giá trị trung gian so với hai chu trình 55 Vậy hiệu suất củaa chu trình ccấp nhiệt đẳng tích là lớn nhấtt và hiệu hi suất chu trình cấp nhiệt đẳng ng áp là nh nhỏ nhất: ηctv>ηct>ηctp (4-10) 10) Hình 4.4 So sánh các chu trình có cùng ε và q1 -Khi có cùng áp suất và nhiệệt độ lớn và nhỏ nhất: Hình 4.5 So sánh các chu trình có cùng cùng Tmax và pmax pmax Ở đây ta so sánh hiệuu su suất nhiệt chu trình cùng nhả mộtt nhiệt nhi lượng q2 giống nhau, cùng làm việcc vvới ứng suất nhiệt (cùng Tmax và pmax) Với cùng điều kiệnn đó, các chu tr trình biểu diễn trên đồ thị T-ss hình 4.5 12p34 là chu trình cấp nhiệtt đđẳng áp; 122’341 là chu trình cấp nhiệtt hỗn h hợp và 12v34 chu trình cấp nhiệtt đđẳng tích Trên đồ thị, ba chu trình này có cùng p1, T1 và cùng p3, T3 nghĩa ĩa llà cùng nhả lượng nhiệt q2 (diện n tích 14ab) đó: nhiệt lượng q1 cấấp vào cho chu trình cấp nhiệt đẳng ng áp b diện tích a2p3b là lớn nhất, nhiệtt llượng q1 cấp vào cho chu trình cấp nhiệtt đẳng đ tích diện tích a2v3b là nhỏ nh Vậy theo (4-4) ta thấy hiệuu su suất chu trình cấp nhiệt đẳng ng áp là lớn l nhấtvà hiệu suất chu trình cấpp nhi nhiệt đẳng tích là nhỏ nhất: ηctp>ηct>ηctv (4-11) 11) Giới hạn trên p3, T3 phụ thuộc vào sức bền các chi tiết củaa động đ 4.2.2 Chu trình tua-bin khí Ưu điểm động ng đđốt là có hiệu suấtt cao.Tuy nhiên, động đ đốt có cấu tạo phứcc ttạp vì phải có cấu để biến chuyển động thẳng 56 thành chuyển động ng quay, nên công suất bị hạn chế Để khắc phụcc các nhược điểm trên, người ta dùng tuaa- bin khí Tua- bin khí cho phép chế tạo o với v công suất lớn, sinh công liên tục, c, thi thiết bị gọn nhẹ nên sử dụng rộng ng rãi để kéo máy phát điện, sử dụng ng giao thông vvận tải Dựaa vào quá trình cháy c nhiên liệu, có thể chia thành hai lo loại: tua- bin khí cháy đẳng ng áp và tuốc tu bin khí cháy đẳng tích a Sơ đồ nguyên lý và nguyên ttắc hoạt động tua-bin khí Sơ đồ thiết bị và nguyên lý ho hoạt động tua -bin khí đượcc biểu bi diễn trên hình 4.6 .6 Không khí đư nén đoạn nhiệtt máy nén khí I, phần ph lớn đưa vào buồng đốtt III, m phần nhỏ đưa phía sau buồ ồng đốt để hoà trộn với sản phẩm m cháy nh nhằm làm giảm nhiệt độ sản phẩm m cháy trước trư vào tua -bin Nhiên liệu đượcc bơm ho máy nén II đưa vào buồng đốt III Nhiên liệu và không khí đư tạo thành hỗn hợp p cháy và cháy buồng đốt III Sản phẩm m cháy có áp su suất và nhiệt độ cao ( khoảảng 13000 1500 C) pha trộn vớii không khí trích ttừ máy nén, tạo o thành hỗn h hợp có nhiệt độ cónhiệt độ khoảng ng 900 900-1100 C Sau đó, sản phẩm cháyđượ ợc đưa qua ống tăng tốc IV, tốc độ tăng lên và vào tua -bin, biến động ng thành trên cánh tua -bin,, làm quay tu tuốcc bin kéo máy phát quay theo Sản S phẩm cháy sau khỏi tua -bin bin thải môi trường Hình 4.6 S Sơ đồ nguyên lý tua-bin khí Quá trình cháy có thể là: - Cháy đẳng áp p = const đây môi chất vào và khỏi buồng đốtt m cách liên tục, cấu tạo buồng đốtt đơn gi giản - Cháy đẳng ng tích v = const Ở đây cháy, các van buồng ng đót phải ph đóng lại để thể tích hỗn hợpp không đđổi, nhằm thực quá trình cháy đẳng ng tích, đó sản phẩm cháy khỏỏi buồng đốt không liên tục Muốn sản n phẩm p cháy vào và khỏi buồng đốt mộột cách liên tục thì cần có nhiều buồng ng đốt, đ đó cấu tạo phức tạp và tổn thấtt qua các van ccũng lớn Vì vậy, thự ực tế người ta thường chế tạo tua- bin cháy đđẳng áp 57 b Chu trình tua- bin khí cấpp nhi nhiệt đẳng áp Chu trình tua - bin khí ccấp nhiệt đẳng áp biểu diễn n trên đồ đ thị p-v và T-s hình 4.7 + -22 là quá trình nén đoan nhiệt môi chất buồng đốt + -3 là quá trình cấpp nhi nhiệt đẳng áp buồng đốt + -4 là quá trình giãn nnở đoạn nhiệt ống tăng tốc(trong tuatu bin) + -1 là quá trình nhảả nhiệt đẳng áp (thải sản phẩm cháy) - Tỷ số nén: β= (4-12) 12) - Hệ số giãn nở sớm ớm quá tr trình cấp nhiệt: ρ= (4-13) 13) - Hiệu suất chu trình: ηct = (4-14) Trong đó: q1 là nhiệt lượng ợng sinh quá trình cháy đẳng áp; q1 = q23 = Cp(T2 - T2’) q2 là nhiệt lượng ợng thải môi tr trường quá trình 41; q2 = Cp(T4 - T1) Từ đó ta có hiệu suất chu tr trình là: ηct = Hình 4.7 Đồ thị p-vv và T T-s tua- bin khí cấp nhiệt đẳng ng áp Tương tự đối vớii chu trình động đốtt trong, thay các giá trị tr vào ta được: ηct = (4-15) Ta thấy hiệu suất nhiệệt chu trình tuốc bin khí cấp nhiệt đẳẳng áp phụ thuộc vào β và k Khi tăng β và k thì hiệu suất nhiệt củaa chu trình s tăng và ngược lại 58 4.2.3 Chu trình động phản n llực Đối với động đốtt trong, mu muốn có công suất lớn n thì kích thước th và trọng lượng lớn, n, đó không th thể sử dụng kỹ thuậtt hàng không đư Động phản lực có thể đạạt công suất và tốc độ lớn n mà kích thước thư và trọng lượng thiết bị lại nhỏ,, đó đư sử dụng nhiều kỹ thuật thu hàng không, các tên lửa vũũ tr trụ Nguyên lý động ng ph phản lực là: nhiên liệu đốtt cháy, nhiệt nhi biến thành động ng ccủa dòng khí, phun qua ống ng phun ngoài với v vận tốc lớn, tạo phản lực mạnh nh đđẩy thiết bị chuyển động phía trước c Động phản lựcc đư chia thành hai loại: động ng máy bay và động đ tên lửa Động ng máy bay và đđộng tên lửa khác chỗ:: Oxy cấp c cho máy bay lấy từ không khí xung quanh, còn động tên lửaa oxy đ chứa sẵn dạng lỏng ng đđộng cơ, vì tên lửa có tốc độ lớn n và có thể bay chân không a Động máy bay Việc tăng áp suấtt không khí đđộng máy bay có thểể nhờ ống tăng áp, có thể nhờ máy nén Hi Hiện máy bay chế tạo o theo kiểu ki tăng áp phần nhờ ống ng tăng áp, ph phần chủ yếu là nhờ máy nén, đó đây ta khảo sát loạii này Hình 4.8 Sơ đồ cấu u ttạo Hình 4.9 Đồ thị T-s s Sơ đồồ cấu tạo động ccơ máy bay có máy nén ợc biểu diễn trên tr hình 4.8 Cấu tạo động ggồm các phận chính sau: ống tăng áp 1, máy nén 2, vòi phun nhiên li liệu 3, tua- bin khí 4, ống tăng tốc vàà buồng bu đốt Chu trình động máy bay đư biểu diễn trên hình 4.9, 4.9 gồm các quá trình: + 1-22 là quá trình nén đoan nhiệt không khí ống tăng áp + 2-33 là quá trình nén đoan nhiệt không khí máy nén + 3-44 là quá trình cháy đẳng áp hỗn hợp Không khí-nhiên nhiên liệu buồng đốt, cấp choo chu trình m lượng nhiệt q1 59 + 4-5 là quá trình sản ản phẩm cháy giãn nở đoạn ạn nhiệt tuốc bin khí, sinh công đểể chạy máy nén, + 5-6 là quá trình giãn nnở đoạn ạn nhiệt sản phẩm cháy ống tăng tốc, + 6-1 là quá trình thải ải sản phẩm cháy đẳng áp, nhả môi tr trường ờng lượng l nhiệtq2 Chu trình động ng máy bay có máy nén cháy đẳng ng áp hoàn toàn giống chu trình tua- bin khí ccấp nhiệt đẳng áp Hiệu suất củaa chu trình xác định theo (7-15): ηct = (1-16) Ta thấy hiệu suấtt nhi nhiệtηct tăng khiβ tăng (β là tỷ số tăng áp quá trình nén 1-2 ống ng tăng ttốc lẫn n máy nén) Rõ ràng là tỷ t số β đây lớn β chu trình đđộng máy bay không có máy nén, độ ộng này có hiệu suất so với các độngcơ ngcơ không có máy nén b Động tên lửa Sơ đồ cấu tạo độộng tên lửa biểu diễn n trên hình 4.10 Cấu C tạo động gồm các phận chính sau: Bình chứa nhiên liệệu A, bình chứa oxy lỏng ng B, bơm nhiên liệu C, bơm oxy lỏng D, buồng đốtt E và ống tăng tốc F Chu trình động ng máy bay đư biểu diễn trên đồ thịị p-v hình 4.11, gồm các quá trình: C D Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý lý Hình 4.11 Đồ thị P-v v + 1-22 là quá trình nén đoan nhiệt nhiên liệu và oxy bơm (vì (v chất lỏng không chịuu nén nên có th thể coi là quá trình đẳng tích) + 2-33 là quá trình cháy đẳng áp hỗn hợp Không khí-nhiên nhiên liệu buồng đốt, cấpp cho chu trình m lượng nhiệt q1 + 3-4 là quá trình giãn nnở đoạn nhiệt sản phẩm cháy ống ng tăng tốc t +4-1 là quá trình thảii ssản phẩm cháy đẳng áp môi trường, ng, nhả nh lượng nhiệt q2 Hiệu suất củaa chu trình xác định: ηct = (4-17) 60 Ở đây công kỹ thuậtt ccủa quá trình giãn nở đoạn nhiệt 3-4 (bỏ ỏ qua công bơm quá trình 1-2) 4.2.4 Chu trình nhà máy nhiệệt điện a Chu trình các-nô nước ớc Chu trình Các - nô thu thuận chiều là chu trình có hiệu suất nhiệtt cao nh Về mặt kỹ thuật, t, dùng khí th thực phạm vi bão hòa có thể thựcc hi chu trình Các - nô và vẫnn đđạt hiệu suất nhiệt lớn cùng phạm ph vi nhiệt độ Chu trình Các - nô áp dụng cho khí thựcc vùng bão b hòa biểu diễnn trên hình 4.12.Tuy nhiên, khí thựcc và nước nư thì việc thực hiệnn chu trình Các -nô khó khăn, vì ng lý sau đây: - Quá trình nhả nhiệt đẳng ng áp, ng ngưng tụ thành nước (quá trình 3) thực không hoàn toàn Muốốn nén đoạn nhiệt ẩm m theo qúa trình 3-4, cần phải có máy nén kích thướcc rrất lớn và tiêu hao công lớn - Nhiệt độ tới hạn nướcc th thấp (374,150C) nên độchênh nhiệt độ gi nguồn nóng và nguồn lạnh củaa chu trình không llớn lắm, đó công củaa chu trình nhỏ - Các giọt ẩm va đđập vào cánh tua- bin gây tổn thấtt lượng l và ăn mòn òn và màimòn nhanh cánh tua- bin Hình 4.12 Đồồ thị T-s chu trình Các -nô nước b Chu trình Renkin (chu trình nhà máy điện) Như đã phân tích trên, có hi hiệu suất nhiệt cao ng chu trình Các - nô có số nhược điểm m áp ddụng cho khí thực, nên thự ực tế người ta không áp dụng ng chu trình này mà áp ddụng chu trình cải tiến gầần với chu trình này gọii là chu trình Renkin Chu trình Renkin là chu trình thuận thu chiều, biến nhiệt thành công 61 Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý lý Hình 4.14 Đồ thị T-s s Chu trình Renkin là chu trình nhi nhiệt áp dụng tấtt c các lọai nhà máy nhiệt điện, n, môi ch chất là nước Tất các thiết bị củaa các nhà máy nhiệt điện giống ng tr trừ thiết bị sinh I Trong thiết bị sinh hơi, nước n nhận nhiệt để biếnn thành Đối vớii nhà máy nhi nhiệt điện thiết bị sinh là lò hơi, ơi, đó nước n nhận nhiệt từ quá trình đốtt cháy nhiên liệu Đối với nhà máy điện n mặt m trời địa nhiệt, nước nhậnn nhi nhiệt từ lượng mặt trời từ nhiệt nhi lòng đất Đối với nhà máy điệnn nguyên ttử, thiết bị sinh là thiếtt bị b trao đổi nhiệt, đó nước nhậnn nhi nhiệt từ chất tải nhiệt lò phản ứng hạạt nhân Sơ đồ thiết bị củaa chu trình Renkin trình bày trên hình 4.13 Đồ thị T-s chu trình biểu diễnn trên hình 4.14 Nước ngưng ng bình ng ngưng IV (ở trạng thái 2’ trên đồ thị)) có thông số p2, t2, i2, đượcc bơm V bơm vào thi thiết bị sinh I với áp suất p1 (quá trình 2’-3) Trong thiết bị sinh hơi, nnước các ống sinh nhận nhiệệt đẳng áp đến sôi (quá trình 3-4), 4), hoá (quá tr trình 4-5) và thành quá nhiệệt quá nhiệt II (quá trình 5-1) 1) Quá trình 33-4-5-1 là quá trình hóa đẳng đ áp áp suất p1 = const Hơi kh khỏi quá nhiệt II (ở trạng ng thái 1) có thông số s p1, t1 vào tuốc bin III, đây giãn nở đoạn nhiệt đến trạng ng thái (quá trình 1-2) và sinh công tuốốc bin Hơi khỏi tuốc bin có thông số ố p2, t2, vào bình ng-ng IV, ngưng ng ttụ thành nước (quá trình 2-2’), lại đư ược bơm V bơm trở lò Quá trình nén đoạn nhiệt bơm có thể xem là quá trình nén đẳng tích vì nướcc không ch chịu nén (thể tích ít thay đổi) c Chu trình hỗn hợp tua- bin khí - Chu trình hỗn hợpp là m chu trình ghép, gồm m chu trình Renkin h nước và chu trình Tua- bin khí Sơ đđồ thiết bị và đồ thị T-s củaa chu trình thể hiệnn trên hình 4.15 H Hệ thống thiết bị bao gồm: thiết bị sinh (buồng đốt); tua- bin nư nước 2; bình ngưng 3; bơm nước cấp p 4; b hâm nước 5; tua-bin khí máy nén không khí 62 Hình 4.15 S Sơ đồ nguyên lý và đồ thị T-s Nguyên lý làm việc củủa chu trình thiết bị sau: Không khí đ nén đoạn nhiệtt máy nén đđến áp suất và nhiệt độ cao, đưaa vào buồng bu đốt cùng với nhiên liệu và cháy bu buồng đốt áp suấtt cao, không đổi Sau nhả phầnn nhi nhiệt cho nước dàn ống buồng ng đốt đ 1, sản phẩm cháy vào tuốcc bin khí 6, giãn nở sinh công Ra khỏi tuốcc bin khí, sản s phẩm cháy có nhiệt độ còn cao, ti tiếp tục qua hâm nướcc 5, gia nhiệt nhi cho nước thải ngoài Nước đượcc bơm bơm qua hâm nước 5, vào dàn ống củaa buồng bu đốt 1.Ở đây nước nhận nhiệtt và bi biến thành quá nhiệt t Hơi quá nhiệt nhi vào tuốc bin 2, giãn nở đoạnn nhi nhiệt và sinh công Ra khỏi tuốcc bin, vào bình ngưng nhả nhiệt đẳng ng áp, ng ngưng tụ thành nước đượcc bơm bơm trở tr lò, lặp lại chu trình cũ Đồ thị T-s củaa chu trình nhi nhiệt biểu diễn trên hình 15 Nhiệt lượng nhiên liệu cháy tỏỏa quá trình b-ee chia thành hai phần: ph phần dùng để sản xuấtt nnước thiết bị sinh 1, phầần cấp cho tuốc bin khí + a-b: quá trình nén đo đoạn nhiệtt không khí máy nén khí 7; + b-c: quá trình cấpp nhi nhiệt (cháy) đẳng áp buồng đốt 1; + c-d: quá trình giãn nnở đoạn nhiệt sinh công tuốcc bin khí 6; + d-a: quá trình nhả nhi nhiệt đẳng áp hâm nước 5; + 3-1’-1”-1: 1: quá trình nnước nhận nhiệt đẳng áp hâm và buồng đốt 1; + 1-2; 2-2’; 2’-33 là các quá trình giãn nở đoạn nhiệtt tuốc tu bin, ngưng đẳng ng áp bình ng ngưng, nén đoạn nhiệt bơm nh- chu trình Renkin Hiệu suấtt chu trình là: ηct = (4-17) Trong đó: l: công tua-bin bin nư nước và tua-bin khí, l = lh + lk 63 q1: nhiệt lượng nhiên liệu tỏa cháy buồng đốt 4.2.5 Chu trình thiết bị làm lạnh (chạy Amoniac, Frêon) Chu trình thiết bị lạnh chạy là chu trình ngược chiều, nhận nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp, nhả nhiệt cho nguồn có nhiệt độ cao Môi chất sử dụng các làm thiết bị lạnh thực tế thường là số chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp áp suất bình thường, hệ số toả nhiệt lớn, rẻ tiền, không độc hại Tuỳ theo phương pháp tăng áp suất môi chất ta chia hai loại: chu trình thiết bị lạnh có máy nén và chu trình thiết bị lạnh hấp thụ (không có máy nén) a Chu trình thiết bị lạnh có máy nén Môi chất thường dùng máy lạnh có máy nén là Amoniac (NH3) hay Frêon F12, F22 (có công thức: CmHxFyClz) Amônian thường dùng máy lạnh công nghiệp để sản xuất nước đá làm lạnh thực phẩm, vì nhiệt ẩn hoá lớn nên có thể chế tạo với công suất lớn.Frêon thường dùng máy lạnh gia đình tủ kem, tủ lạnh gia đình vì không đòi hỏi công suất lớn, không mùi và không độc hại Sơ đồ nguyên lý máy lạnh có máy nén thể trên hình 416.Hơi môi chất trạng thái bảo hoà khô từ buồng lạnh IV có áp suất p1 máy nén hút vào và nén đoạn nhiệt đến áp suất p2, nhiệt độ t2.Sau đó vào bình ngưng II ngưng tụ đẳng áp áp suất p2, nhả lượng nhiệt q1 cho không khí hay nước làm mát.Chất lỏng ngưng tụ từ dàn ngưng II qua van tiết lưu III, giảm áp suất từ p2 xuống p1 và chuyển từ dạng lỏng sang dạng ẩm Hơi ẩm tiếp tục vào buồng lạnh IV nhận nhiệt lương q2 vật cần làm lạnh áp suất p1 = const biến thành hơibão hoà khô và chu trình lặp lại cũ Các quá trình máy lạnh dùng có máy nén biểu thị trên đồ thị hình 4-17 + 1-2 là quá trình nén đoạn nhiệt máy nén, quá trình này áp suất tăng từ p1 đến p2 + 2-3 là quá trình ngưng tụ đẳng áp áp suất p2 = const, nhả lượng nhiệt q1cho không khí hay nước làm mát + 3-4 là quá trình tiết lưu van tiết lưu, quá trình này áp suất giảm từ p2xuống p1 + 4-1 là quá trình bốc dàn bốc buồng lạnh, môi chất nhiệt lượng q2 áp suất p1 = const 64 Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý Hình 4.17 Đồ thị T-s chu trình - Hệ số làm lạnh: ηct = = = | | = ( ) ( ) (4-36) Vì quá trình tiết lưu i4 = i3, đó: Năng suất máy lạnh: Q0 = G.q2 (4-37) Công suất máy nén: N = G.| | (4-38) Ở đây: G là lưu lượng môi chất chu trình, kg/s b Bơm nhiệt Bơm nhiệt còn gọi là máy điều hoà hai chiều.Bơm nhiệt có thể làm lạnh, hút ẩm và có thể sưởi ấm, dùng khá phổ biến miền Bắcnước ta.Khi dùng với chức sưởi ấm, bơm nhiệt tiết kiệm điện nhiều so với dùng lò sưởi điện trở Nguyên lý làm việc bơm nhiệt sau: Môi chất trạng thái bảo hoà khô từ buồng lạnh IV máy nén hút vào và nén đoạn nhiệt từ áp suất p1 đếnáp suất p2, nhiệt độ t2 Sau đó vào dàn ngưng II ngưng tụ đẳng áp áp suất p2, nhả lượng nhiệt q1 biến thàng lỏng.Chất lỏng từ dàn ngưng II qua van tiết ưu III, giảm áp suất từ p2 xuống p1 và chuyển từ dạng lỏng sang dạng ẩm, vào dàn bay để nhận nhiệt lương q2 Nếu sử dụng lượng hữu ích từ dàn bay (dàn lạnh, bố trí phòng) thì máy làm việc theo chế độ làm lạnh; Nếu sử dụng lượng hữu ích từ dàn ngưng (dàn nóng, bố trí phòng) thì máy làm việc theo chế độ sưởi ấm (bơm nhiệt) Trong thực tế các dàn bố trí cố định, cần đổi chiều chuyển động cuả dòng môi chất nhờ van đổi chiều Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt thể trên hình 4-18.Chỉ cần thay đổi vai trò đóng, mở các van, thiết bị có thể làm lạnh sưởi 65 ấm.Thiết bị chính gồm m máy nén C, hai dàn trao đđổi nhiệtt A và B, hai dàn này thay làm dàn lạnh nh (dàn bbốc hơi) dàn nóng (dàn ngưng tụ ụ); van tiết lưu D và các van đóng mở từ 1-8 để thay đổi chức làm việcc c máy Môi chất có thể là Frêon ho Amôniac.Để xét nguyên lý vận n hành c thiết bị, ta coi dàn A đặtt phòng + Máy làm việc với chứcc sư sưởi ấm: Mở các van 2, 4, 6, và đóng các van 1, 3, 5, 7, môi ch chất từ máy nén C theo chiềuu C4A6D8B2C Môi ch chất đượcc máy nén hút vào và nén đến đ áp suất và nhiệt độ cao, qua van vào dàn ngưng A, nh nhả lượng nhiệtt cho không khí phòng Bảnn thân môi ch chất nhiệt, ngưng tụ,, qua van và van tiết lưu D, biếnn thành bbảo hoà ẩm nhiệt độ và áp suất thấp, p, qua van vào dàn bay B để nh nhận nhiệt từ môi trường ng xung quanh, bốc b và hút máy nén, hoàn ch chỉnh chu trình ngược chiều Hình 4.18 S Sơ đồ máy lạnh-bơm nhiệt + Máy làm việc với chứcc làm mát Đóng các van 2, 4, 6, và m mở các van 1, 3, 5, 7, môi chất từ máy nén C theo chiềuu C1B7D5A3C Môi ch chất đượcc máy nén hút vào và nén đến đ áp suất và nhiệt độ cao, qua van vào dàn ngưng B, nh nhả lượng nhiệệt cho môi trường xung quanh Bảnn thân môi ch chất nhiệt, ngưng tụ,, qua van và van tiết lưu D, biếnn thành bbảo hoà ẩm nhiệt độ và áp suất thấp, p, qua van vào dàn bay A để nhậận nhiệt từ không khí phòng, làm cho nhiệt nhi độ phòng giảm xuống, ng, môi ch chất bốc và hut máy nén, hoàn chỉnh chu trình ngượcc chi chiều để làm mát phòng 66 4.2 SƠ ĐỒ CẤU TẠO O VÀ NGUYÊN LÝ HO HOẠT ĐỘNG CỦA A ĐỘNG Đ CƠ NHIỆT 4.2.1 Sơ đồ cấu tạo động ng nhi nhiệt a Sơ đồ cấu tạo động ng kkỳ Trục (trục ục khuỷu) Thanh truyền ền (tay bi biên) Píttông Xy lanh Đường hút Xupáp hút Bugi Xupáp xả Đường xả 10 Các-te (đáy máy) 10 Hình 4.19 S Sơ đồ cấu tạo động kỳ b Sơ đồ cấu tạo động ng kkỳ Mặt máy Thân máy Cửa xả Chế hòa khí Buồng trục Cửa thổi Piston Bugi Hình 4.20 20 Sơ đồ cấu tạo động kỳ 4.2.2 Nguyên lý hoạt động củ động nhiệt Do hạn chế thờii gian nên sau đây ta ch nghiên cứu u nguyên lý hoạt ho động mộtt chu trình làm vi việc động nhiệt kỳ mộtt xy lanh 67 Để nghiên cứu nguyên lý hoạt động động nhiệt theo quan điểm nhiệt động kỹ thuật, phần này chúng ta xem xét môi chất các động nhiệt trước hết là nhiên liệu và không khí Nhiên liệu và ôxy không khí thực quá trình cháy, sau đó là sản phẩm cháy thực các quá trình nhiệt động để cuối cùng thải sản phẩm cháy vào môi trường Để thiết lập chu trình động nhiệt ta giả thiết: - Coi nhiên liệu, không khí, hỗn hợp nhiên liệu với không khí và sản phẩm cháy đồng với và đồng với chất khí lý tưởng hai nguyên tử (k = 1,4) - Coi chu trình là thuận nghịch, đó các quá trình giãn nở và nén là quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch - Thay quá trình cháy quá trình cung cấp nhiệt và quá trình thải sản phẩm cháy vào môi trường là quá trình nhả nhiệt - Coi quá trình nạp nhiên liệu và không khí (hoặc ôxy) và quá trình thải sản phẩm cháy triệt tiêu mặt công để biến hệ hở thành hệ kín Do đó: Khi pít tông từ điểm chết trên bắt đầu dịch chuyển xuống thì van nạp mở, van xả đóng (kỳ 1) Khi đó, hỗn hợp nhiên liệu và không khí đưa vào xi lanh theo quá trình a-b-1 Khi pít tông quay lại từ điểm chết bắt đầu dịch chuyển lên trên thì van nạp và van xả đóng nên hỗn hợp nhiên liệu và không khí nén đoạn nhiệt thuận nghịch theo đường 12 (kỳ 2) Giả sử pít tông đến điểm chết trên trạng thái thì hỗn hợp nhiên liệu và không khí bắt đầu bốc cháy Quá trình cháy xảy đoạn đẳng tích 2-3’ (vì pít tông chưa kịp dịch chuyển xuống dưới) và đoạn đẳng áp 3’-3” (lúc này pít tông đã kịp dịch chuyển xuống dưới) Sản phẩm cháy trạng thái 3” có áp suất và nhiệt độ cao tiếp tục giãn nở đến điểm chết theo đường đoạn nhiệt sinh công 3”-4 (kỳ 3) Khi pít tông đến điểm chết tương ứng với trạng thái thì van xả mở và áp suất giảm đột ngột Khi đó pít tông chưa kịp dịch chuyển lên trên nên xem quá trình giảm áp đột ngột sản phẩm cháy xảy theo quá trình đẳng tích 4-1 Sau đó, pít tông dịch chuyển từ điểm chết lên điểm chết trên, van nạp đóng van xả mở và sản phẩm cháy bị thải vào môi trường theo đường 1-c-a (kỳ 4) Đến đây van xả đóng, van nạp mở và pít tông lại tiếp tục dịch chuyển từ điểm chết trên xuống dưới, nhiên liệu và không khí hút vào xi lanh và chu trình lại bắt đầu Quá trình cháy có thể xảy nhanh pít tông chưa kịp dịch chuyển Khi đó toàn quá trình cháy xảy quá trình đẳng tích 2-3’ 68 Ngược lại, quá trình cháy xảy chậm thì pít tông đủ thời gian để dịch chuyển và toàn quá trình cháy xảy điều kiện đẳng áp 2-3” a b c Hình 4.21 Nguyên lý làm việc và các chu trình động đốt a Chu trình cấp nhiệt đẳng tích; b Chu trình cấp nhiệt đẳng áp; c Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp Với giả thiết trên ta thấy quá trình hút nhiên liệu và không khí a-b-1 và quá trình thải sản phẩm cháy 1-c-a tự triệt tiêu mặt công Do đó, động đốt xem máy nhiệt làm việc với các chu trình thuận từ trạng thái qua các trạng thái 2, 3’, 3”, và khép kín trạng thái Trong đó: + Quá trình 1-2 là quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch (mất công) + Quá trình 2-3’ là quá trình cấp nhiệt đẳng tích q1v (cháy đẳng tích) + Quá trình 3’-3” là quá trình cấp nhiệt đẳng áp q1p (cháy đẳng áp) + Quá trình 3”-4 là quá trình giãn nở đoạn nhiệt thuận nghịch (đây là quá trình sinh công) + Quá trình 4-1 là quá trình thải nhiệt lượng vào môi trường q2 (thải sản phẩm cháy)