Bài giảng Nhiệt kỹ thuật - Trần Thị Trà My & Ngô Thị Kim Uyển & Lê Anh Tuyến

ng riêng đẳng áp: là nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho một đơn vị chất khí để làm thay đổi nhiệt độ chất khí 1 độ trong quá trình đa biến Chý ý: nhiệt dung riêng đẳng áp bao giờ cũng lớn hơn nhiệt dung riêng đẳng tích, vì trong quá trình đẳng tích nhiệt lượng cấp vào chỉ để làm thay đổi nhiệt độ (nội năng), còn trong quá trình đẳng áp nhiệt lượng cấp vào không những làm thay đổi nhiệt độ mà còn khắc phục lực hút giữa các phân tử và lực cản của môi trường để sinh công. Công thức Mayer thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt dung riêng đẳng tích:      = − = →      =− = vp v vp v p kcc k R c Rcc k c c 1 (2.1) Với k : là hệ số mũ đoạn nhiệt của khí Đối với khí lý tưởng, nhiệt dung riêng là hằng số, không phụ thuộc nhiệt độ, áp suất và được xác định theo công thức (2.1) hoặc bằng bảng 2.1 Bảng 2.1: Nhiệt dung riêng kmol của chất khí Loại khí k Kcal kmol do KJ kmol do vc pc vc pc Khí 1 nguyên tử 1,67 3 5 12,6 20,9 Khí 2 nguyên tử 1,4 5 7 20,9 29,3 Khí > 3 nguyên tử 1,2 7 9 29,3 37,7 2.4.3 Nhiệt dung riêng thực và nhiệt dung riêng trung bình: Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 18 Với khí thực nhiệt dung riêng phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Ở điều kiện bình thường ảnh hưởng của áp suất không đáng kể, nên chỉ tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ: ( )c f t= Do có sự thay đỏi của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ nên trong thực tế ta có thêm 2 khái niệm về nhiệt dung riêng : Nhiệt dung riêng thực và nhiệt dung riêng trung bình a) Nhiệt dung riêng thực: Nếu cung cấp cho 1 đơn vị chất khí lượng nhiệt vô cùng bé dq , nhiệt độ chất khí tăng lên dt thì: 0 lim t dq q c dt t →  = =  Với c : là nhiệt dung riêng thực của chất khí b) Nhiệt dung riêng trung bình: Nếu cung cấp cho 1 đơn vị chất khí lượng nhiệt q và nhiệt độ chất khí tăng lên từ t1 đến t2 thì tỷ số : 2 1 2 1 t t q c t t  = − gọi là nhiệt dung riêng trung bình của chất khí tại nhiệt độ t c) Quan hệ giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ: Quan hệ giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ thường là hàm bậc 2 : 20 1 2c a a t a t= + + Gần đúng có thể tính theo hàm bậc nhất: 0 1c a a t = + Trong đó: 0 0,a a : nhiệt dung riêng của chất khí ở 0 0C 1 1 2, ,a a a : hằng số của chất khí, được xác định bằng thực nghiệm Trong tính toán nếu đòi hỏi độ chính xác không cao và khoảng thay đổi nhiệt không lớn (<1500C), người ta thường bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ, coi onsc c t= ------------------------------------------------ CÂU HỎI ÔN TẬP 1) Trong bình kín có thể tích 100 lít chứa không khí ở nhiệt độ 00C và áp suất 760 mmHg. Hãy xác định nhiệt lượng cần thiết để đốt nóng lên 2000C. Coi nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ theo đường thẳng 0,7088 0,00009299 ,v KJ c t kg do   = +     Đáp số: 18,8 kJ 2) Xylanh có đường kính d=400mm chứa lượng không khí V=0,08m3, áp suất p1=3bar, nhiệt độ t1=150C. Hỏi lực tác dụng lên piton sẽ tăng lên bao nhiêu nếu không khí nhận được nhiệt lượng 80kJ và piton không chuyển động Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 19 Đáp số: 50091N Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 20 BÀI 3: CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG ❖ MỤC TIÊU: Sau bài học này, sinh viên có khả năng – Phân loại và hiểu được một số quá trình cơ bản của khí lý tưởng – Hiểu và vận dụng công thức tính toán vào việc giải quyết một số bài tập cụ thể ❖ NỘI DUNG BÀI HỌC: Ứng với mỗi trạng thái xác định của hệ thì các thông số trạng thái của hệ có một giá trị xác định. Khi có sự trao đổi năng lượng giữa hệ với môi trường xung quanh thì trạng thái của hệ sẽ thay đổi và sẽ có ít nhất một trong các thông số trạng thái thay đổi. Tùy theo cách chọn điều kiện tác dụng giữa hệ với môi trường xung quanh mà ta có thể giữ cho một thông số trạng thái là không đổi. Đó là các quá trình: đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt, đoạn nhiệt, đa biến. Đây là các quá trình nhiệt động cơ bản, chúng có ý nghĩa rất lớn đối với việc nghiên cứu tính toán thực tế kỹ thuật. 1.1 QUÁ TRÌNH ĐẲNG TÍCH − Quá trình đẳng tích là quá trình xảy ra trong điều kiện thể tích không đổi − Phương trình biểu diễn quá trình: onst T v c const p =  = − Mối quan hệ thông số: 1 2 1 2 T T p p = − Nhiệt lượng tham gia quá trình: vq c T=  − Công dãn nở của quá trình: 2 1 0 v v l pdv= = − Công có ích của quá trình: ( ) 2 1 1 2 p p l vdp v p p = − = − − Biến thiên nội năng: vu q c T = =  − Hệ số biến hóa năng lượng: 1 u q   = = − Quá trình đẳng tích biểu diễn trên đồ thị p-v là đường thẳng song song với trục tung Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 21 − Hệ số góc của đường đẳng tích trên đồ thị T-s : v v v dt dt Tdt T tg dqds c dt c T  = = = = Hình 3.1: Quá trình đẳng tích trên đồ thị p-v và T-s 3.2 QUÁ TRÌNH ĐẲNG ÁP − Quá trình đẳng áp là quá trình xảy ra trong điều kiện áp suất không đổi − Phương trình biểu diễn quá trình: onst T p c const v =  = − Mối quan hệ thông số: 1 2 1 2 T T v v = − Nhiệt lượng tham gia quá trình: Pq c T=  − Công dãn nở của quá trình: ( ) 2 1 2 1 v v l pdv p v v= = − − Công có ích của quá trính: 2 1 0 p p l vdp = − = − Biến thiên nội năng: ( ) ( )2 1p p p vu q l c T p v v c T R T c R T c T = − =  − − =  −  = −  =  − Hệ số biến hóa năng lượng: 1v v p p c T cu q c T c k   = = = =  − Quá trình đẳng áp biểu diễn trên đồ thị p-v là đường thẳng song song với trục hoành − Hệ số góc của đường đẳng tích trên đồ thị T-s : p p p dt dt Tdt T tg dqds c dt c T  = = = = Ta có: 1 1 v p v p tg tg c c  =  = . Vậy trên T-s đường cong đẳng tích dốc hơn đường cong đẳng áp Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 22 Hình 3.2: Quá trình đẳng áp trên đồ thị p-v và T-s 3.3 QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT − Quá trình đẳng nhiệt là quá trình xảy ra trong điều kiện nhiệt độ không đổi − Phương trình biểu diễn quá trình: onstT c p v const=   = − Mối quan hệ thông số: 1 1 2 2p v p v= − Công dãn nở của quá trình: 2 2 1 1 2 1 ln v v v v vdv l pdv RT RT v v = = =  − Công có ích của quá trính: 2 2 1 1 2 1 1 2 ln ln p p p p p pdp l vdp RT RT RT p p p  = − = − = − =  − Biến thiên nội năng: 0vu c T =  = − Biến thiên entalpi: 0pi c T =  = − Nhiệt lượng tham gia quá trình: ( )2 1 2 1 1 2 ln ln v p q u l i l l l RT RT T s s v p  =  + =  + = = = = = − − Hệ số biến hóa năng lượng: 0 u q   = = Vậy nhiệt lượng cấp vào quá trình chỉ để sinh công − Quá trình đẳng nhiệt biểu diễn trên đồ thị p-v là đường cong hypepol RT const p v v = = − Trên đồ thị T-s quá trình là đoạn thẳng song song với trục hoành Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 23 Hình 3.3: Quá trình đẳng nhiệt trên đồ thị p-v và T-s 3.4 QUÁ TRÌNH ĐOẠN NHIỆT − Quá trình đoạn nhiệt là quá trình mà ở đó chất khí không trao đổi nhiệt với bên ngoài 0q = hay s = const − Phương trình biểu diễn quá trình: 0dq du dl= + = ( ) . . 0 . . . . . 1 . . . . . . . . . . 0 v pv v v v v v v dq c dT p dv cc c c c R c cpv c d p dv p dv v dp p dv p dv v dp p dv v dp p dv v dp R R R R R R R R  = + = +     + = + + = + + = + = + =        Nhân tử và mẫu với p R c vp        , ta có: 1 0v p cdv dp dv dp v c p v k p + = + = hay 0 dv dp k v p + = Vậy: ln ln 0 kk v p pv const+ =  = - đây là phương trình của quá trình đoạn nhiệt. − Mối quan hệ thông số: + Tính p theo v và ngược lại: Từ phương trình biểu diễn của quá trình đoạn nhiệt kpv const= , ta có: 1 2 1 1 2 2 2 1 k k k p vp v p v p v   =  =     hay 1 2 1 1 2 kv p v p   =     + Tính t theo v và ngược lại: Từ 1 1 11 1 2 2 k k k k kRTpv const v Tv const T v T v v − − −=  = =  = Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 24 Vậy: 1 2 1 1 2 k kT p T p −   =     hay 1 2 1 1 2 k kp T p T −  =     + Tính T theo p và ngược lại: Từ 1 1 11 1 2 2 k k k k k k k kRTpv const p p T const p T p T p − − − =  = =  =    Vậy: 1 2 1 1 2 k T v T v −   =     hay 1 1 2 1 1 2 kv T v T −  =     − Nhiệt lượng tham gia quá trình: 0q = − Biến thiên nội năng: vu c T =  − Biến thiên Entalpia: pi c T =  − Công dãn nở của quá trình: Theo định luật nhiệt động 1 viết dưới dạng nội năng: q u l l u=  +  = − Vậy trong quá trình đoạn nhiệt thì công sinh ra trong quá trình dãn nở là do nội năng giảm xuống và khi nén thì nội năng tăng lên − Công có ích của quá trình: Theo định luật nhiệt động 1 viết dưới dạng nội năng: q i l l i =  +  = − Cũng có thể tính công dãn nở l và công có ích l theo định nghĩa 2 1 v v l pdv=  và 2 1 p p l vdp = −  − Hệ số biến hóa năng lượng: u q   = =  − Quá trình đoạn nhiệt biểu diễn trên đồ thị p-v là đường cong hypepol nhưng dốc hơn đường đẳng nhiệt: k RT p v = − Trên đồ thị T-s là đường thẳng song song với trục tung 1 20 0q ds s s const=  =  = = Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 25 Hình 3.4: Quá trình đoạn nhiệt trên đồ thị p-v và T-s 3.5 QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN − Quá trình đa biến là quá trình có hệ số biến hóa năng lượng  bất kỳ − Phương trình biểu diễn quá trình: Từ: dq cdt= Với c : là nhiệt dung riêng trong quá trình đa biến Và ( )Rdt d pv pdv vdp= = + , ta có: . . . p dv v dp dq c dt c R +  = =     và . .vdq c dt p dv= + ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v v v v p p dv v dp c c dt p dv R c p dv v dp c p dv v dp R p dv c v dp c p dv c v dp c R p dv c c v dp c c p dv +   = +     + = + +  + = + +  − = − Vậy: . . . 0p v c c p dv v dp c c − + = − Đặt: p v c c n c c − = − - số mũ đa biến Chia 2 vế cho (pv) , ta có: . 0 ln ln dv dp n n v p const v p + =  + = Hay: npv const= - phương trình của quá trình đa biến Từ p v c c n c c − = − , ta có: ( )p v vc nc c nc k n c− = − = − Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 26 1 v k n c c n −  = − - nhiệt dung riêng của quá trình đa biến Nhận xét: Khi 1 n k  thì nhiệt dung riêng ( )− , nghĩa là khi đó nhiệt lượng cấp vào trong quá trình khong làm nhiệt độ chất khí tăng lên, mà nhiệt độ chất khí giảm đi. − Mối quan hệ thông số: + Tính p theo v và ngược lại: Từ phương trình biểu diễn của quá trình đa biến npv const= , ta có: 1 2 1 1 2 2 2 1 n n n p vp v p v p v   =  =     hay 1 2 1 1 2 nv p v p   =     + Tính t theo v và ngược lại: Từ 1 1 11 1 2 2 n n n n nRTpv const v Tv const T v T v v − − −=  = =  = Vậy: 1 2 1 1 2 n nT p T p −   =     hay 1 2 1 1 2 n np T p T −  =     + Tính t theo p và ngược lại: Từ 1 1 11 1 2 2 n n n n n n n nRTpv const p p T const p T p T p − − − =  = =  =    Vậy: 1 2 1 1 2 n T v T v −   =     hay 1 1 2 1 1 2 nv T v T −  =     − Nhiệt lượng tham gia quá trình: q c T=  − Biến thiên nội năng: vu c T =  − Biến thiên Entalpia: pi c T =  − Công dãn nở của quá trình: Theo định luật nhiệt động 1 viết dưới dạng nội năng: q u l l q u=  +  = − − Công có ích của quá trình: Theo định luật nhiệt động 1 viết dưới dạng nội năng: q i l l q i =  +  = − Cũng có thể tính công dãn nở l và công có ích l theo định nghĩa 2 1 v v l pdv=  và 2 1 p p l vdp = −  − Hệ số biến hóa năng lượng: 1vcu n q c n k   − = = = − Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 27 − Ý nghĩa tổng quát của quá trình đa biến: Từ phương trình biểu diễn của quá trình đa biến npv const= , ta có: + Khi 0n p const= → = , ta có quá trình đẳng áp + Khi 1n T const= → = , ta có quá trình đẳng nhiệt + Khi kn k pv const= → = , ta có quá trình đoạn nhiệt + Khi 1 nn p v const v const= → =  = , ta có quá trình đẳng tích Hình 3.5: Biểu diễn ý nghĩa tổng quát của quá trình đa biến ------------------------------------------------ CÂU HỎI ÔN TẬP 1) Không khí ở áp suất p1=1at, thể tích v1=0,8 m3/kg nhận nhiệt lượng 100 kcal/kg trong điều kiện áp suất không đổi. Xác định nhiệt độ đầu, cuối và thể tích cuối? Ghi chú: 1kcal = 4,18kJ Đáp số: t1=0 (0C) ; t2=416 (0C) ; v2=2,02 (m3/kg) 2) 1 kg không khí được nén đẳng nhiệt ở nhiệt độ t=300C từ áp suất đầu p1=1bar đến áp suất cuối p2=10bar. Xác định thể tích cuối, công nén và lượng nhiệt thải ra ? Đáp số: v2=0,087 (m3/kg) ; l= -200 (kJ/kg) = lkt ; q= -200 (kJ/kg) 3) 1 kg không khí có áp suất và nhiệt độ ở trạng thái đầu p1=1at, t1=300C. Sau khi bị nén đoạn nhiệt, áp suất tăng lên 10 lần. Hãy xác định thể tích, nhiệt độ sau khi nén và công nén ? Đáp số: v2=0,171 (m3/kg) ; t2=312 (0C) ; lnén = -202,3 (kJ/kg) = lkt Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 28 4) Cần phải nén một lượng không khí thể tích V1=10m3 từ áp suất p1=0,9bar, nhiệt độ t1=170C đến áp suất p2=7,2bar, V2=1,77m3. Hãy tính số mũ đa biến n, công thay đổi thể tích ? Đáp số: n=1,2 ; L12= -1872 (kJ) 3) 1,5 kg không khí được nén đa biến từ áp suất p1=0,9bar, nhiệt độ t1=180C đến áp suất p2=10 bar, nhiệt độ t2=1250C. Hãy xác định số mũ đa biến n, thể tích sau khi nén và lượng nhiệt thải ra ? Đáp số: n=1,149 ; V2=0,171 (m3 ); Q= -195 (kJ) 4) Không khí thực hiện quá trình đa biến có V1 = 15 (m3), p1 =2 (bar), p2 = 12 (bar), n = 1,10. Tính nhiệt lượng Q tham gia quá trình ? Đáp số: Q= -3994 (kJ) Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 29 BÀI 4: CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ❖ MỤC TIÊU: Sau bài học này, sinh viên có khả năng – Hiểu được một số khái niệm cơ bản về chu trình nhiệt động của khí lý tưởng – Hiểu được một số khái niệm, công thức tính toán cơ bản về chu trình Cacno – Vận dụng công thức vào việc giải quyết một số bài tập cụ thể ❖ NỘI DUNG BÀI HỌC: 4.1 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Chu trình nhiệt động gồm một hoặc một số các quá trình nhiệt động xảy ra liên tiếp nhau, sau đó chất môi giới trở về trạng thái ban đầu. Tùy theo chiều diễn biến của chu trình mà người ta chia làm 2 loại: − Chu trình thuận: có chiều theo chiều quay kim đồng hồ và biến nhiệt thành công. Đây là chu trình sinh công ( 0l ) − Chu trình ngược: có chiều ngược với chiều quay kim đồng hồ và nhận công sinh nhiệt. Đây là chu trình tiêu hao công ( 0l  ) a) b) Hình 4.1: Chu trình thuận chiều (a) và chu trình ngược chiều (b) 4.2 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ 2 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 30 + Hạn chế của định luật nhiệt động 1 là chưa nghiên cứu khả năng thực hiện quá trình, điều kiện và mức độ biến hóa nănglượng trong quá trình + Trong thực tế không phải quá trình nào cũng có khả năng tiến hành như nhau, có quá trình tự phát và có quá trình không tự phát được như : ✓ Khi giản nở thể tích tăng, áp suất giảm, đó là quá trình tự phát; khi nén thể tích giảm, áp suất tăng không thể tự phát mà phải tiêu hao năng lượng ✓ Công biến thành nhiệt không cần điều kiện nào và là biến đổi hoàn toàn, nhiệt biến thành công phải có điều kiện và đó là biến đổi không hoàn toàn + Định luật nhiệt động 2 nghiên cứu chiều hướng, mức độ và điều kiện biến hóa năng lượng trong một quá trình Để nghiên cứu định luật nhiệt động 2, ta nghiên cứu chu trình Cacnô 4.2 CHU TRÌNH CACNO THUẬN CHIỀU Chu trình Cacno được tiến hánh với các giả thiết sau: − Hai nguồn nhiệt vô cùng lớn, để khi chất môi giới ngận và nhả nhiệt thì nhiệt độ của nguồn coi như không đổi − Không có tổn thất − Chu trình gồm hai quá trình đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt Xét chu trình Cacno thuận chiều như hình 4.2 Hình 4.2: Chu trình Cacno thuận chiều Chu trình bao gồm các quá trình sau: − Quá trình 1-2, quá trình cấp nhiệt đẳng nhiệt q1 vào chu trình, chất môi giới giãn nở đẳng nhiệt T const= Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 31 − Quá trình 2-3, quá trình giãn nở đoạn nhiệt q=0, s=const , nhiệt độ chất môi giới giảm từ T1 xuống T2 − Quá trình 3-4, quá trình nhả nhiệt đẳng nhiệt T const= . Chất môi giới nhả nhiệt q2 cho nguồn lạnh và được nén đẳng nhiệt từ 3 đến 4 − Quá trình 4-1, quá trình nén đoạn nhiệt q=0, s=const , nhiệt độ chất môi giới tăng từ T2 đến T1 − Tính hiệu suất nhiệt của chu trình Cacno thuận: 1 2 2 1 1 1 1t q q ql q q q  − = = = − Từ các quá trình đẳng nhiệt ta có: 2 1 1 1 ln v q RT v = và 32 2 4 ln v q RT v = 3 2 4 2 1 1 ln 1 ln t v RT v v RT v  = − Từ các quá trình đoạn nhiệt ta có: 1 2 2 1 3 k T v T v −   =     và 1 2 1 1 4 k T v T v −   =     32 1 2 3 4 1 4 vv v v v v v v  =  = Vậy: 2 1 1t T T  = − Hiệu suất nhiệt của chu trình Cacno chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh chứ không phụ thuộc vào bản chất của chất môi giới Nhận xét: + Khi nhiệt độ T1 tăng và nhiệt độ T2 giảm thì hiệu suất nhiệt t của chu trình Cacno tăng nhưng 1t  vì 2 0T  và 1T   . Như vậy nhiệt không thể biến hoàn toàn thành công, mà bao giờ cũng có tổn thất một phần cho nguồn lạnh + Khi T1=T2 thì 0t = , như vậy không thể sinh công khi chỉ có một nguồn nhiệt  Đây là hai điểm chính của định luật nhiệt động thứ 2 Trong thực tế các động cơ nhiệt không thực hiện được theo chu trình Cacno, mặc dù chu trình Cacno là chu trình có hiệu suất nhiệt cao nhất so với tất cả các chu trình khi có cùng T1 và T2, vì các lý do sau: – Việc thực hiện các quá trình đoạn nhiệt và đẳng nhiệt là rất khó khăn (hầu như không thực hiện được Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 32 – Công sinh ra của chu trình rất nhỏ, do độ dốc của đường đẳng nhiệt và đoạn nhiệt không khác nhau mấy, nên diện tích công sinh ra nhỏ. Muốn tăng công của chu trình thì phải tăng tỷ số 1 2 p p , làm ảnh hưởng đến độ bền của kim loại, hoặc tăng hiệu số 2 1V V− làm cho thể tích xi lanh lớn, thiết bị cồng kềnh. – Hiệu suất nhiệt của chu trình Cacno không thuận nghịch (khi có tổn thất, ví dụ như tổn thất do ma sát), nhỏ hơn hiệu suất của chu trình Cacno thuân nghịch 4.3 CHU TRÌNH CACNO NGƯỢC CHIỀU Hình 4.3: Chu trình Cacno ngược chiều Chu trình bao gồm các quá trình sau: − Quá trình 1-4, quá trình giãn nở đoạn nhiệt q=0, s=const vào chu trình, nhiệt độ chất môi giới giảm từ T1 xuống T2 − Quá trình 4-3, quá trình giãn nở đẳng nhiệt T=const. Chất môi giới tiếp xúc với nguồn lạnh và nhận nhiệt lượng q2 − Quá trình 3-2, quá trình nén đoạn nhiệt q=0, s=const , nhiệt độ chất môi giới tăng từ T2 đến T1 − Quá trình 2-1, quá trình nhả nhiệt đẳng nhiệt T=const. Chất môi giới nhả nhiệt q1 cho nguồn nóng và được nén đẳng nhiệt từ 2 đến 1. Ta có 1 2q q l= + Tính hệ số làm lạnh của chu trình Cacno ngược 22 1 2 qq l q q  = = − 1 1 4 1q T s −=  và 2 2 2 3q T s −=  Ta lại có: 4 1 2 3s s− − =  Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 33 Do đó: 2 2 2 3 2 11 2 1 4 1 2 2 3 1 2 2 1 1 q T s T Tq q T s T s T T T  − − −  = = = = −  −  − − Khi T1 giảm và T2 tăng thì hệ số làm lạnh  tăng ------------------------------------------------ CÂU HỎI ÔN TẬP Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 34 CHƯƠNG 5: CHU TRÌNH CẤP NHIỆT ĐẲNG TÍCH ❖ MỤC TIÊU: Sau bài học này, sinh viên có khả năng: – Hiểu về nguyên lý hoạt động của chu kỳ cấp nhiệt đẳng tích – Vận dụng công thức tính toán vào việc giải quyết một số bài tập cụ thể ❖ NỘI DUNG BÀI HỌC: 5.1 KHÁI NIỆM Chu trình sinh công điển hình là chu trình động cơ đốt trong, là loại động cơ mà nhiên liệu cháy trực tiếp bên trong xylanh. Chất môi giới của chu trình động cơ đốt trong là sản phẩm cháy. Chu trình lý tưởng của động cơ Diesel cho phép dễ dàng đánh giá tính hoàn thiện và khả năng sử dụng nhiệt lượng của nhiên liệu để biến thành công trong động cơ đốt trong Các giả thiết khi nghiên cứu động cơ đốt trong: – Chu trình tiến hành với 1 lượng khí nhất định bằng 1kg, và coi như là khí lý tưởng, có tính chất vật lý và hóa học đồng nhất. – Các quá trình trong chu trình đều là thuận nghịch – Động cơ làm việc với chu trình kín, bằng cách thay quá trình thải sản phẩm cháy bằng quá trình thải nhiệt đẳng tích và quá trình cháy được xem như là quá trình cấp nhiệt. Phần lớn các động cơ đốt trong làm việc theo các chu trình nhiệt sau + Chu trình cấp nhiệt đẳng tích + Chu trình cấp nhiệt đẳng áp + Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 5.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN 5.2.1 Tỉ số nén 2 1 v v = v1 : thể tích ban đầu của môi chất trong quá trình nén v2 : thể tích cuối của môi chất trong quá trình nén 5.2.2 Tỉ số tăng áp Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 35 2 3 p p = p2 : áp suất ban đầu của môi chất trong quá trình cấp nhiệt đẳng tích. p3 : áp suất cuối của môi chất trong quá trình cấp nhiệt đẳng tích. 5.3 CHU TRÌNH THỰC CẤP NHIỆT ĐẲNG TÍCH Quá trình chuyển biến từ nhiệt thành công của động cơ rất phức tạp. Trước tiên, muốn hoạt động liên tục thì động cơ phải không ngừng thải khí cháy và nạp đầy môi chất vào trong xilanh theo chu kỳ. Khi động cơ hoạt động, tồn tại rât nhiều tổn thất trung gian như: tổn thất do nhiên liệu cháy không triệt để, không kịp thời, tổn thất do tản nhiệt cho môi chất làm mát Như vậy, chu trình làm việc thực tế của động cơ là chu trình hở không thuận nghịch, khiến cho việc nghiên cứu gặp nhiều khó khăn, khó đánh giá mức độ tốt xấu của mỗi quá trình và không nêu được một hướng rõ ràng nhằm nâng cao hiệu suất và công suất của động cơ. Để việc nghiên cứu được thuận tiện, người ta đã tạm lượt bỏ những tổn thất năng lượng có tính chất thứ yếu xuất hiện trong chu trình thực tế Cách làm trên cho ta chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong, đó là một chu trình kín, thuận nghịch trong đó không có một tổn thất năng lượng phụ nào ngoài tổn thất do nhả nhiệt cho nguồn lạnh đã được quy định theo định luật II nhiệt động. Những giả thiết trên rất gần gũi với các quá trình của động cơ thực tế: – Quá trình cấp nhiệt đẳng tích rất gần gũi với quá trình cháy của động cơ xăng, đốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện vì hòa khí đã được hòa trộn đều có áp suất và nhiệt độ lớn ở cuối kỳ nén, sau khi bật tia lửa điện khối hòa khí này sẽ bốc cháy nhanh tới mức pittông chưa kịp dịch chuyển (v=const) Ngoài ra, ta còn có: – Quá trình cấp nhiệt đẳng áp rất gần gũi với quá trình cháy của động cơ diêden cỡ lớn tăng áp cao. Trong các loại động cơ này, việc phun nhiên liệu vào động cơ dưới dạng sương mù và được thực hiện rất chậm để nhiên liệu được cháy hết (ngoài ra còn để hạn chế áp suất cực đại của chu trình đối với động cơ tăng áp cao), vì vậy quá trình cháy chậm được coi là đẳng áp. – Quá trình cấp nhiệt hỗn hợp rất gần gũi với quá trình cháy của động cơ dieden hiện đại,trong đó phần nhiên liệu phun trước tiên vào xi lanh đã kịp hòa trộn với oxy trong buồng cháy để cháy nhanh (đẳng tích) còn phần nhiên liệu phun muộn hơn do phải có thời gian để gặp gỡ hòa trộn với oxy thừa trong buồng cháy nên quá trình cháy sẽ chậm hơn (đẳng áp) 5.4 CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CẤP NHIỆT ĐẲNG TÍCH Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 36 Việc phân tích chu trình thực tế sẽ gặp nhiều khó khăn vì có tổn thất nhiệt, có phản ứng hóa học, có ma sát Do đó trong nhiệt động học, người ta giả thiết chu trình là lý tưởng và thuận nghịch. Trên cơ sở đó, chu trình lý tưởng động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích biểu diễn trên đồ thị p-v (đồ thị công) và đồ thị T-s (đồ thị nhiệt), bao gồm 4 quá trình nhiệt động cơ bản như sau: Hình 5.1: Chu trình cấp nhiệt đẳng tích 1-2 : Nén đoạn nhiệt 3-4: Giãn nở đoạn nhiệt 2-3: Cấp nhiệt đẳng tích 4-1: Thải nhiệt đẳng tích − Kỳ hút: piston đi từ ĐCT xuống ĐCD supap nạp mở ra, hỗn hợp hòa khí (giữa không khí và nhiên liệu) được nạp đầy vào trong xilanh (QT nạp không được xem là QT nhiệt động). − Kỳ nén: piston đi từ ĐCD lên ĐCT cả 2 supap đều đóng, hỗn hợp khí được nén lại, quá trình nén đoạn nhiệt 1-2. − Kỳ nổ: tại ĐCT bougie phóng tia lửa điện, toàn bộ hỗn hợp khí cháy rất nhanh, piston chưa kịp dịch chuyển thì qua trình cháy đã hoàn thành. Do đó có thể coi quá trình cháy 2-3 là quá trình cháy đẳng tích. Đồng thời piston di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD do khối khí dãn nở sau khi cháy gọi là quá trình dãn nở đoạn nhiệt 3-4. − Kỳ xã: piston đi từ ĐCD lên ĐCT supap thải mở ra, khói được đẩy ra ngoài xilanh theo quá trình đẳng tích 4-1 Chu trình trên được thực hiện với 4 hành trình piston cùng với 2 vòng quay của trục khuỷu động cơ. Quá trình cháy được thực hiện nhờ tia lửa điện cho nên động cơ làm việc với chu trình cấp nhiệt đẳng tích được gọi là động cơ cháy cưỡng bức. 5.5 HIỆU SUẤT CỦA CHU TRÌNH Hiệu suất nhiệt động cơ : 1 2 2 1 1 1 q q q q q  − = = − Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 37 Nhiệt lượng cấp cho chu trình : )( 231 TTcq v −= Nhiệt lượng chu trình thải ra môi trường : )( 142 TTcq v −= Ta có : ( ) ( ) 23 14 23 14 1 2 111 TT TT TTc TTc q q v v − − −= − − −=−= (5-1) Nhiệt độ 432 ,, TTT biểu thị qua 1T như sau : – Quá trình nén đoạn nhiệt 1-2 : ( 0=q ) 1 1 12 1 2 1 1 2 k k kT v T T T v   − − − = =  =    – Quá trình cháy đẳng tích 2-3 : 13 3 3 2 1 2 2 kT p T T T T p    −= =  = = – Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 3-4 : 1 1 1 1 1 134 2 4 3 1 1 3 4 1 1 1 1 k k k k k kvT v T T T T T v v       − − − − − −         = = =  = = =                   Thay các giá trị nhiệt độ đã tìm được vào công thức tính hiệu suất (5-1) : ( ) ( ) 14 1 1 1 1 1 1 1 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1k k k k TT T T T T T T T T        − − − − −− − = − = − = − = − − − − Nhận xét:  tăng   tăng và k tăng, trị số cực đại  bị giới hạn bởi nhiệt độ kích nổ của nhiên liệu (theo chỉ số ốctan: A76, A92), trị số ốctan càng cao thì nhiệt độ kích nổ càng cao, tỉ số nén cực đại cho phép càng lớn. Thông thường 96−= , với một số nhiên liệu chuyên dụng 1210−= ------------------------------------------------ Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 38 CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Động cơ đốt trong làm việc theo chu trình lý tưởng với sự cháy đẳng tích. Thể tích công tác Vq=0,006m3, nhiệt độ t1=200C, p1=1bar. Thể tích thừa Vt=V2=0,001m3, p3=25bar. Hãy tính: a. Các thông số trạng thái tại các điểm nút. b. Nhiệt lượng mà chất môi giới nhận và thải ra. c. Công của chu trình, hiệu suất nhiệt của chu trình. 2. Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng động cơ đốt trong với sự cháy đẳng tích. Nếu biết thể tích thừa Vt=12,5cm3, thể tích công tác Vh=100cm3. 3. Chu trình động cơ đốt trong piston cấp nhiệt đẳng tích, có không gian chết Vc=0,15dm3, thể tích quét của piston Vq=0,85dm3. Tính hiệu suất nhiệt của chu trình? Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 39 CHƯƠNG 6: CHU TRÌNH CẤP NHIỆT ĐẲNG ÁP ❖ MỤC TIÊU: Sau bài học này, sinh viên có khả năng – Hiểu về nguyên lý hoạt động của chu trình cấp nhiệt đẳng áp – Vận dụng công thức tính toán vào việc giải quyết một số bài tập cụ thể ❖ NỘI DUNG BÀI HỌC: 6.1 KHÁI NIỆM Để tăng tỉ số nén  ta thực hiện quá trình nén chỉ nén không khí; dùng nhiên liệu là dầu diesel (DO) và phun nhiên liệu vào xilanh dưới dạng sương mù cuối quá trình nén, thì nhiên liệu sẽ bốc cháy từ từ. Ở đây không cần buzi đánh lửa như động cơ xăng (cháy đẳng tích). Chu trình cấp nhiệt đẳng áp được sử dụng cho động cơ Diesel như xe tải, xe tăng, tàu biển 6.2 CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CẤP NHIỆT ĐẲNG ÁP Hình 6.1: Chu trình cấp nhiệt đẳng áp 1-2: Nén đoạn nhiệt 3-4: Giãn nở đoạn nhiệt 2-3: Cấp nhiệt đẳng áp 4-1: Thải nhiệt đẳng tích − Kỳ hút: piston đi từ ĐCT xuống ĐCD supap nạp mở ra, không khí được nạp đầy vào trong xilanh. − Kỳ nén: piston đi từ ĐCD lên ĐCT cả 2 supap đều đóng, hỗn hợp khí được nén lại, quá trình nén đoạn nhiệt 1-2. Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 40 − Kỳ nổ: tại ĐCT kim phun cao áp mở ra. Nhiên liệu được phun vào ở dạng sương mù, gặp không khí cao áp, nhiệt độ cao (nhiệt độ không khí cao hơn điểm tụ cháy của nhiên liệu) nhiên liệu bốc cháy. Đồng thời piston dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD. Do đó có thể coi quá trình cháy 2-3 là quá trình cháy đẳng áp. Tại nút 3 kim phun cao áp đóng lại, ngưng quá trình cấp nhiên liệu, piston di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD do khối khí dãn nở theo quá trình dãn nở đoạn nhiệt 3-4. − Kỳ xã: piston đi từ ĐCD lên ĐCT supap thải mở ra, khói được đẩy ra ngoài xilanh theo quá trình đẳng tích 4-1. 6.3 HIỆU SUẤT CỦA CHU TRÌNH Tỉ số nén : 2 1 v v = Tỉ số dãn nở sớm : 2 3 v v = Hiệu suất nhiệt động cơ : 1 2 2 1 1 1 q q q q q  − = = − Nhiệt lượng cấp cho chu trình : )( 231 TTcq P −= Nhiệt lượng chu trình thải ra môi trường : )( 142 TTcq v −= Ta có : ( ) 2 4 1 4 1 1 3 2 3 2 ( ) 1 1 1 ( ) v p q c T T T T q c T T k T T  − − = − = − = − − − (6-1) Nhiệt độ 432 ,, TTT biểu thị qua 1T như sau: – Quá trình nén đoạn nhiệt 1-2 : ( 0=q ) 1 1 12 1 2 1 1 2 k k kT v T T T v   − − − = =  =    – Quá trình cháy đẳng áp 2-3 : 13 3 3 2 1 2 2 kT v T T T T v    −= =  = = – Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 3-4 : 1 1 1 1 1 13 34 2 4 3 1 1 3 4 2 1 k k k k k k kv vT v T T T T T v v v          − − − − − −         = =  =  = = =                   Thay các giá trị nhiệt độ đã tìm được vào công thức tính hiệu suất (6-1) : Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 41 4 1 1 1 1 1 1 3 2 1 1 1 1 1 1 ( ) ( ) ( 1) k k k k k T T T T k T T k T T k        − − − − − − = − = − = − − − − Nhận xét:  tăng   tăng, k tăng,  giảm. Giá trị cực đại của  phụ thuộc vào độ bền kim loại của động cơ ở nhiệt độ cao và áp suất lớn. Thông thường 20 24 =  ------------------------------------------------ CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp. Cho biết các thông số: p1=1bar, t1=300C, 15= , 2= . Hãy xác định công và hiệu xuất nhiệt của chu trình? Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 42 CHƯƠNG 7: CHU TRÌNH CẤP NHIỆT HỖN HỢP ❖ MỤC TIÊU: Sau bài học này, sinh viên có khả năng – Hiểu về nguyên lý hoạt động của chu kỳ động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp – Vận dụng công thức tính toán vào việc giải quyết một số bài tập cụ thể ❖ NỘI DUNG BÀI HỌC: 7.1 KHÁI NIỆM Tỷ số nén  cao làm cho áp suất p2 cuối tầm nén cao (75-80 kgf/cm2) làm cho bơm dầu cao áp làm việc khó khăn. Để giảm tỉ số nén  ta thực hiện chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Quá trình nén chỉ nén không khí, dùng nhiên liệu là dầu diesel và phun nhiên liệu vào trong xilanh vào cuối quá trình nén. Trong thực tế các động cơ diesel hiện đại làm việc theo chu trình này 7.2 CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CẤP NHIỆT HỖN HỢP Hình 7.1: Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 1-2: Nén đoạn nhiệt 3-4: Giãn nở đoạn nhiệt 2-5: Cấp nhiệt đẳng tích 4-1: Thải nhiệt đẳng tích 5-3: cấp nhiệt đẳng áp − Kỳ hút: piston đi từ ĐCT xuống ĐCD supap nạp mở ra, không khí được nạp đầy vào trong xilanh − Kỳ nén: piston đi từ ĐCD lên ĐCT cả 2 supap đều đóng, hỗn hợp khí được nén lại, quá trình nén đoạn nhiệt 1-2 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 43 − Kỳ nổ: tại ĐCT kim phun cao áp mở ra. Nhiên liệu được phun vào ở dạng sương mù, gặp không khí cao áp, nhiệt độ cao (nhiệt độ không khí cao hơn điểm tụ cháy của nhiên liệu) ở buồng đốt phụ nhiên liệu bốc cháy, lượng O2 ở buồng đốt phụ cháy nhanh đến mức piston di chuyển không đáng kể, quá trình cháy xem là đẳng tích (quá trình 2-5). Sau đó khói và nhiên liệu còn lại tràn vào buồng đốt chính và phản ứng với oxy trong không khí của buồng đốt chính đồng thời piston dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD. Do đó có thể coi quá trình cháy 5-3 là quá trình cháy đẳng áp. Tại nút 3 nhiên liệu cháy hết piston di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD do khối khí dãn nở theo quá trình dãn nở đoạn nhiệt 3-4. − Kỳ xã: piston đi từ ĐCD lên ĐCT supap thải mở ra, khói được đẩy ra ngoài xilanh theo quá trình đẳng tích 4-1 7.3 HIỆU SUẤT CỦA CHU TRÌNH Tỉ số nén : 2 1 v v = Tỉ số dãn nở sớm : 2 3 v v = Tỉ số tăng áp : 2 3 p p = Hiệu suất nhiệt động cơ : 1 2 2 1 1 1 q q q q q  − = = − Nhiệt lượng cấp cho chu trình : )( 251 TTcq vv −= )( 531 TTcq pp −= )()( 53251 TTcTTcq pv −+−= Nhiệt lượng chu trình thải ra môi trường : )( 142 TTcq v −= Ta có : ( ) ( ) ( ) ( ) 2 4 14 1 1 5 2 3 5 5 2 3 5 ( ) 1 1 1 ( ) vv v p v q c T Tc T T q c T T c T T c T T k T T  −− = − = − = − − + − − + −   ( ) ( ) 4 1 5 2 3 5 1 T T T T k T T − = − − + − (7-1) Nhiệt độ 432 ,, TTT biểu thị qua 1T như sau: Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 44 – Quá trình nén đoạn nhiệt 1-2 : ( 0=q ) 1 1 12 1 2 1 1 2 k k kT v T T T v   − − − = =  =    – Quá trình cháy đẳng tích 2-5 : 15 5 3 5 2 1 2 2 2 kT p p T T T T p p    −= = =  = = – Quá trình cháy đẳng áp 5-3 : 13 3 3 3 5 1 5 5 2 kT v v T T T T v v    −= = =  = = – Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 3-4 : 1 1 1 1 1 13 34 2 4 3 1 1 3 4 2 1 k k k k k k kv vT v T T T T T v v v          − − − − − −         = =  =  = = =                   Thay các giá trị nhiệt độ đã tìm được vào công thức tính hiệu suất (7-1) : ( ) ( ) ( ) ( ) 4 1 1 1 1 1 1 1 5 2 3 5 1 1 1 1 1 1 k k k k k T T T T T T k T T T T k T T         − − − − − − = − = − − + − − + − ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 k k k k T T k k          − − − − = − = − − + − − + −       (7.2) Nhận xét: – Hiệu suất nhiệt  tăng khi ,  tăng và  giảm – Giá trị cực đại của  phụ thuộc vào độ bền kim loại của động cơ (piston, xilanh, supap) ở nhiệt độ cao và áp suất lớn. Thông thường 1816−= . – Khi 35  ta có 1= thì chu trình hỗn hợp trở thành chu trình cấp nhiệt đẳng tích. – Khi 25  ta có 1= thì chu trình hỗn hợp trở thành chu trình cấp nhiệt đẳng áp. ------------------------------------------------ CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Chu trình động cơ đốt trong với quá trình cấp nhiệt hỗn hợp. Cho biết các thông số: p1=1bar, t1=300C, 7= , 2= , 2,1= . Hãy xác định: a. Các thông số trạng thái tại các điểm nút. b. Lượng nhiệt cấp và thải của các chu trình Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 45 c. Công và hiệu suất nhiệt của chu trình Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 46 CHƯƠNG 8 : DÒNG CHẢY – KHÔNG KHÍ ẨM ❖ MỤC TIÊU: Sau bài học này, sinh viên có khả năng – Hiểu được một số khái niệm cơ bản về dòng chảy của chất khí và hơi – Hiểu được một số khái niệm cơ bản về không khí ẩm ❖ NỘI DUNG BÀI HỌC: 8.1 DÒNG CHẢY CỦA CHẤT KHÍ VÀ HƠI Nghiên cứu dòng chảy của chất khí và hơi là nghiên cứu quá trình thay đổi các thông số trạng thái của chất môi giới, ngoài ra còn nghiên cứu sự biến đổi về tốc độ của dòng chảy. Những giả thiết được đưa ra khi nghiên cứu: – Dòng chảy ổn định: là thông số trạng thái của chất môi giới ở mọi điểm trong dòng chảy không thay đổi theo thời gian, nghĩa là tại các điểm khác nhau trên cùng một tiết diện vuông góc với dòng chảy là như nhau – Dòng chảy liên tục: là lưu lượng của chất môi giới qua các tiết diện vuông góc với dòng chảy là như nhau 8.1.1 Quá trình tiết lưu a) Quá trình tiết lưu: Xét một ống có chứa dòng chảy chất môi giới là khí (hoặc hơi), nếu tiết diện ống bị thu hẹp đột ngột thì một phần năng lượng của dòng chảy sẽ bị tiêu hao để thắng trở lực ma sát. Hiện tượng này gọi là sự tiết lưu Quá trình tiết lưu thường đi kèm với sự giảm hiệu suất của dòng chảy chất môi giới và điều này là có hại. Tuy nhiên, đôi khi người ta cũng cần tạo ra các quá trình tiết lưu để điều chỉnh công suất của các thiết bị sử dụng hơi nước, đo lưu lượng, giảm áp trong các hệ thống làm lạnh Tốc độ dòng chảy chất môi giới sẽ tăng lên trong lỗ. Sau khi đi qua hết lỗ, tốc độ khí lại giảm xuống, và áp suất tăng nhưng không bằng ban đầu. Vận tốc thay đổi sẽ dẫn đến khối lượng riêng của khí tăng vì áp suất giảm, còn nhieät ñoä sau khi tieát löu coù theå taêng leân, giaûm xuoáng hay khoâng ñoåi. Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 47 b) Hiệu ứng Joul Thomson: Joul Thomson đã nghiên cứu hiện tượng thay đổi nhiệt độ theo áp suất của dòng chảy chất môi giới qua tiết lưu, hiện tượng này gọi là hiệu ứng Joul Thomson Gọi dT dp  = là hệ số Joul Thomson Nếu 0 : sau tiết lưu nhiệt độ chất môi giới sẽ giảm. Nếu 0 : sau tiết lưu nhiệt độ chất môi giới sẽ tăng. Nếu 0= : sau tiết lưu nhiệt độ chất môi giới sẽ không đổi c) Ứng dụng quá trình tiết lưu Quá trình tiết lưu được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật như: van tiết lưu, điều chỉnh áp suất, công suất, đo lưu lượng của dòng và điều chỉnh nhiệt độ chất môi giới trong kỹ thuật làm lạnh 8.1.2 Quá trình lưu động a) Tốc độ âm thanh : Tốc độ âm thanh là tốc độ lan truyền các chấn động trong môi, được tính theo công thức : , m a kpv kRT s   = =     Như vậy: tốc độ âm thanh không chỉ phụ thuộc vào bản chất vật lý mà còn phụ thuộc vào trạng thái của môi trường.. b) Số Max (Ký hiệu M) Là tỉ số giữa tốc độ dòng khí và tốc độ âm thanh trong môi trường khí tại một trạng thái nào đó Ta có: M a  = Trong đó: , m s        : tốc độ dòng khí , m a s       : tốc độ âm thanh c) Ống tăng tốc : – Ống tăng tốc có tiết diện giảm dần: không cần tốc độ dòng khí đi vào ống 0 lớn, được dùng để tăng tốc độ dòng khí ở ngõ ra 1 nhưng bao giờ cũng phải nhỏ hơn tốc độ âm thanh a ( 1 a  ) Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 48 Hình 8-1: Ống tăng tốc nhỏ dần – Ống có tiết diện tăng dần: tốc độ dòng khí 0 đi vào ống dẫn sẽ lớn hơn tốc độ âm thanh a ( 0 a  ), được dùng để tăng tốc độ dòng khí ở ngõ ra 1 nhưng lớn hôn tốc độ âm thanh a ( 1 a  ) Hình 8-2: Ống tăng tốc lớn dần – Ống tăng tốc hỗn hợp (ống Lavan): Ống này được ghép nối giữa ống có tiết diện nhỏ dần với ống có tiết diện tăng dần. Ống này được dùng để tăng tốc độ dòng khí ở ngõ ra 1 lớn hơn tốc độ âm thanh a ( 1 a  ) nhưng chỉ cần tốc độ vào ống nhỏ 0 a  Hình 8-3: Ống tăng tốc hỗn hợp Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 49 8.2 KHÔNG KHÍ ẨM 8.2.1 Khái niệm Không khí ẩm là hỗn hợp của không khí khô và hơi nước, thông thường hơi nước chiếm 0,47% thể tích không khí ẩm và có phân áp suất chiếm khoảng 15-20mmHg. Ta chỉ nghiên cứu không khí ẩm ở áp suất không cao lắm, thông thường là ở áp suất khí quyển, do đó có thể coi không khí ẩm là khí lý tưởng. Tùy theo lượng hơi nước có trong không khí ẩm mà ta chia không khí ẩm ra làm 2 loại: không khí ẩm bảo hòa và không khí ẩm chưa bảo hòa – Không khí ẩm bảo hòa: là không khí chứa lượng hơi nước cực đại tại nhiệt độ đang xét, nếu cho thêm bao nhiêu nước bay hơi vào không khí thì sẽ có bấy nhiêu hơi nước từ không khí ngưng tụ thành lỏng trở lại – Không khí ẩm chưa bảo hòa: là không khí ẩm có lượng hơi nước có lượng hơi nước nhỏ hơn lượng hơi nước cực đại tại nhiệt độ đang xét, ta có thể cho nước tiếp tục bay hơi vào không khí ẩm chưa bão hòa 8.2.2 Các thông số trạng thái Để xác định trạng thái không khí ẩm ngoài các thông số như nhiệt độ T và áp suất p cần phải có thêm các thông số khác như độ ẩm tuyệt đối, độ ảm tương đối và độ chứa hơi. a) Nhiệt độ: oT K   Xét không khí ẩm chưa bảo hòa : Tkhông khí ẩm = Tkhông khí khô = Thơi nước Xét không khí ẩm bảo hòa : Tkhông khí ẩm bảo hòa = Tđọng sương b) Áp suất: 2 N p m       pkhông khí ẩm = phơi nước + pkhông khí khô c) Độ ẩm tuyệt đối: Là phân áp suất của hơi nước trong không khí ẩm pn d) Độ ẩm tương đối  Là tỉ số giữa phân áp suất của hơi nước và phân áp suất bão hòa ở nhiệt độ không khí ẩm Ta có : 100%n s p p  = Trong đó : pn : phân áp suất của hơi nước trong không khí ẩm Ps : phân áp suất bão hòa của không khí ẩm e) Độ chứa hơi d Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 50 Xét không khí ẩm có chứa  kG kg không khí khô và  nG kg hơi nước. Độ chứa hơi d được tính bằng tỉ số: n k G d G = f) Entanpi của không khí ẩm Thông thường trong các quá trình nhiệt động học có không khí ẩm tham gia thì lượng hơi nước thay đổi còn lượng không khí khô là cố định Ta có: (2500 2 )I t t d= + + Trong đó: t : nhiệt độ d : độ chứa hơi của không khí ẩm I : entanpi 8.3 ĐỒ THỊ CỦA KHÔNG KHÍ ẨM Để thuận tiện cho việc dựng và sử dụng đồ thị, người ta dựng đồ thị I-d với một góc 1350 đồ thị I-d được xây dựng cho không khí ẩm với áp suất p=745 mmHg và nhiệt độ 00 100t C=  Trên đồ thị biểu diễn các đường: – d = const – I = const – const = , đường cong const = là các đường cong đi lên ở phần 0100t C . Đường 0% = trùng với trục I. Đường 100% = biểu diễn trạng thái không khí ẩm bão hòa và chia đồ thị làm 2 phần. Phần trên là không khí ẩm chưa bão hòa,phần dưới là vùng sương mù, vùng dưới 00C là vùng băng tuyết Hình 8-4: Đồ thị I-d Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 51 – t = const , các đường đẳng nhiệt là các đường xiên đi lên, nhiệt độ càng cao thì độ dốc càng lớn, đường t = 0 nằm ngang – ( ); 0,622 kt n n p d p f d p d   = = +  , đường pn = f(d) có trục tọa độ pn ở bên phải đồ thị – Trên một số đồ thị còn biểu diễn đường bão hòa đoạn nhiệt của không khí ẩm, kí hiệu  ------------------------------------------------ CÂU HỎI ÔN TẬP Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 52 CHƯƠNG 9 : TRUYỀN NHIỆT ❖ MỤC TIÊU: Sau bài học này, sinh viên có khả năng – Hiểu được một số khái niệm cơ bản về truyền nhiệt đối lưu – Hiểu được một số khái niệm cơ bản về truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt – Hiểu và vận dụng các công thức vào việc giải một số bài toán cụ thể ❖ NỘI DUNG BÀI HỌC: 9.1 TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU Truyền nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi có sự dịch chuyển khối chất lỏng hoặc khí trong không gian từ vùng có nhiệt độ này đến vùng có nhiệt độ khác. Chất lỏng và chất khí được gọi tên chung là chất lưu. Quá trình truyền nhiệt đối lưu được thực hiện đồng thời với quá trình dẫn nhiệt, trong đó quá trình chuyển động không tránh khỏi sự va chạm trực tiếp giữa các phần tử chất lưu có nhiệt độ khác nhau Quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn và dòng chất lưu chuyển động trên bề mặt đó được gọi là sự tỏa nhiệ đối lưu 9.1.1 Những nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu a) Nguyên nhân gây ra chuyển động: Có 2 loại chuyển động – Chuyển động tự nhiên: xảy ra khi các phần tử chất lưu có khối lượng riêng khác nhau, mà sự khác nhau này là do chênh lệch nhiệt độ gây nên – Chuyển động cưỡng bức: khi có lực tác động bên ngoài (quạt, bơm, máy nén) b) Chế độ chuyển động của chất lưu: Có 2 chế độ – Chảy tầng: tốc độ nhỏ, các phần tử chuyển động song song với vách rắn. Nhiệt truyền theo phương vuông góc với hướng chuyển động, chủ yếu là do dẫn nhiệt giữa các lớp chất lưu – Chảy rối: tốc độ lớn, các phần tử chuyển động hỗn loạn. Nhưng sát vách vẫn có một lớp mỏng chảy tầng gọi là lớp biên. Nhiệt truyền theo phương vuông góc với hướng chuyển động được thực hiện bằng dẫn nhiệt qua lớp biên chảy tầng và sau đó được tăng cường bằng lớp chảy rối bên trong Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 53 Vì nhiệt trở của lớp biên chảy tầng lớn hơn nhiều so với nhiệt trở của lớp chảy rối bên trong nên trong chế độ chảy rối, trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt trở của lớp biên. Tốc độ dòng chảy càng lớn thì chiều dày lớp biên càng mỏng, nhiệt trở càng giảm, truyền nhiệt càng tốt c) Tính chất vật lý của vật d) Hình dáng, vị trí, kích thước vách rắn 9.1.2 Công thức Newton Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu là một quá trình phức tạp, phụ thuộc nhiều yếu tố. Để xác định lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vách và chất lưu, người ta dùng công thức Newton. Công thức Newton có dạng: ( )w fQ qF F t t= = − Hình 9-1: Trao đổi nhiệt đối lưu Trong đó: q và Q : mật độ dòng nhiệt  , W F : tiết diện bề mặt trao đổi nhiệt , m2 tw : nhiệt độ của vách, 0C tf : nhiệt độ chất lưu ở xa bề mặt vách, 0C  : hệ số tỏa nhiệt đối lưu, 2 0 W m C       9.2 TRUYỀN NHIỆT BẰNG DẪN NHIỆT Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật hoặc các phần của vật có nhiệt độ khác nhau khi tiếp xúc trực tiếp với nhau Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 54 Hiện tượng dẫn nhiệt xảy ra không những đối với chất rắn mà cả trong chất lỏng và chất khí 9.2.1 Dẫn nhiệt qua vách phẳng a) Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng 1 lớp Các giả thiết: – Vách phẳng là vật đồng chất, const = – Bề dày  rất nhỏ so với bề dài và bề rộng – Nhiệt độ trên bề mặt vách tw1 , tw2 không đổi, nhiệt độ chỉ biến thiên theo phương Ox, mặt đẳng nhiệt là các mặt phẳng Hình 9-2: Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng 1 lớp Nhiệt lượng truyền qua vách phẳng 1 lớp : ( )1 2 2,w w W q t t t m       = − =      Tổng nhiệt lượng truyền qua vách:  ,Q qF W= b) Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng nhiều lớp Giả sử ta có 3 lớp vách phẳng có hệ số dẫn nhiệt 1 2 3, ,   khác nhau, có bề dày 1 2 3, ,   . Dòng nhiệt truyền qua cả 3 lớp vách phẳng là như nhau Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 55 Hình 9-3: Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng nhiều lớp Áp dụng kết quả của vách phẳng 1 lớp, ta có : ( )1 11 2 1 2 1 1 w w w wq t t t t q     = −  − = ( )2 22 3 2 3 2 2 w w w wq t t t t q     = −  − = ( )3 33 4 3 4 3 3 w w w wq t t t t q     = −  − = ---------------------- Cộng 2 vế: 31 21 4 1 2 3 w wt t q        − = + +     Nhiệt lượng truyền qua vách phẳng nhiều lớp: 1 4 31 2 1 2 3 w wt tq      − = + + Tổng quát cho vách có n lớp: ( )1 1 11 2 1 1 2 w w n n n i in t t t q       + = −  = = + + + 9.2.2 Dẫn nhiệt qua vách trụ a) Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ 1 lớp Các giả thiết: – Vách trụ là vật đồng chất, const = – Bề dày  rất nhỏ so với bề dài và bề rộng Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 56 – Nhiệt độ trên bề mặt vách tw1 , tw2 không đổi, nhiệt độ chỉ biến thiên theo phương bán kính Or – Vách trụ có đường kính trong 2r1, đường kính ngoài 2r2, chiều dài l Hình 9-4: Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ 1 lớp Nhiệt lượng dẫn qua vách trụ là: ( )  w1 w2 2 1 , 1 ln 2 l Q t t W r r   = − Nhiệt lượng truyền qua 1 đơn vị chiều dài vách trụ: ( )  w1 w2 2 1 , 1 ln 2 Q q t t W rl r   = = − Nhiệt lượng truyền qua 1 đơn vị bề mặt vách trong: ( ) ( ) w1 w2 2 w1 w21 w1 w2 2 1 2 1 21 1 1 1 1 ln 2 , 22 ln ln 2 l t t r t trQ l W q t t r l r r rF rl m r r       − −   = = = − =     Nhiệt lượng truyền qua 1 đơn vị bề mặt vách ngoài: ( ) ( ) w1 w2 2 w1 w21 w1 w2 2 2 2 2 22 2 1 1 1 ln 2 , 22 ln ln 2 l t t r t trQ l W q t t r l r r rF r l m r r       − −   = = = − =     b) Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ nhiều lớp Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 57 Hình 9-5: Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ nhiều lớp Đối với vách trụ nhiều lớp, việc nghiên cứu cũng tương tự như vách phẳng nhiều lớp. Nhiệt lượng dẫn qua vách trụ nhiều lớp (n lớp): ( )  w1 wn+1 1 1 1 , 1 ln 2 n i i i l Q t t W r r   + = = −  9.2.3 Tăng cường và hạn chế truyền nhiệt Trong thực tế có trường hợp muốn tăng cường truyền nhiệt, nhưng cũng có trường hợp phải tìm cách hạn chế truyền nhiệt (cách nhiệt). Muốn giải quyết tốt vấn đề này cần phải: – Nắm vững đặc tính các dạng trao đổi nhiệt cơ bản – Tìm ra các yếu tố nào ảnh hưởng nhiều nhất đến quá trình trao đổi nhiệt a) Tăng cường truyền nhiệt Các biện pháp tăng cường truyền nhiệt: – Giảm nhiệt trở của vách: giảm chiều dày, nâng cao hệ số dẫn nhiệt (dùng vật liệu dẫn nhiệt tốt, cạo bỏ lớp cặn bám ở thành ống, ) – Đối với trao đổi nhiệt đối lưu thì tìm cách tăng cường sự nhiễu loạn và tăng tốc độ chuyển động của dòng – Tăng độ đen và nhiệt độ để tăng cường trao đổi nhiệt bằng bức xạ Khi đồng thời có các dạng truyền nhiệt, muốn tăng cường truyền nhiệt phải phân tích những trường hợp cụ thể để tìm ra khả năng và biện pháp có hiệu quả Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 58 b) Hạn chế truyền nhiệt Thông thường những vật liệu ở nhiệt độ 050 100 C có W 0,025 m do        gọi là vật liệu cách nhiệt. Mục đích của cách nhiệt là: – Tiết kiệm nhiên liệu – Để thực hiện khả năng của quá trình kỹ thuật – An toàn lao động 9.4 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó tiến hành quá trình trao đổi nhiệt giữa các công chất. Dựa theo nguyên lý làm việc có thể chia làm 3 loại thiết bị trao đổi nhiệt: thiết bị trao đổi nhiệt ngăn cách, thiết bị trao đổi nhiệt hồi nhiệt, và thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp – Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ngăn cách (vách ngăn): là loại thiết bị trao đổi nhiệt thường gặp trong kỹ thuật. Trong thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ngăn cách thì các chất mang nhiệt trao đổi nhiệt với nhau thông qua vách ngăn – Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt có đặc tính làm việc của các bề mặt trao đổi nhiệt mang tính chất chu kỳ, nghĩa là trong những khoảng thời gian nhất định bề mặt đó tiếp xúc với công chất nóng và nhận nhiệt, nhưng ở nữa chu kỳ sau các bề mặt đó lại nhả nhiệt cho chất lỏng lạnh đi qua chúng. Như vậy trong thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt luôn luôn xảy ra quá trình trao đổi nhiệt không ổn định – Thiết bị trao đổi nhiệt loại hỗn hợp: các công chất nóng và lạnh trao đổi nhiệt với nhau khi chúng hỗn hợp với nhau. Đặc điểm của loại thiết bị này là quá trình trao đổi nhiệt bao giờ cũng tiến hành cùng với quá trình trao đổi chất ------------------------------------------------ CÂU HỎI ÔN TẬP 9.1 Một ống dẫn hơi làm bằng thép có hệ số dẫn nhiệt 1 W 46,44 m do    =    , đường kính 200/216mm, được bọc một lớp cách nhiệt dày 120mm có hệ số dẫn nhiệt 2 W 0,116 m do    =    nhiệt độ của hơi tf1=3000C, nhiệt độ không khí xung quanh tf2=250C. Hệ số tỏa nhiệt của hơi Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 59 đến bề mặt 2 2 W 116 m do    =    và hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt ngoài đến không khí 2 W 9,86 m do    =    . Tìm nhiệt lượng tổn thất trên 1m chiều dài ống trong 1 đơn vị thời gian và nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt? Đáp số: W 248,54lq m   =     , 0w 2 42,5t C=