Tài liệu Kỹ thuật nhiệt

LỜI NÓI ĐẦU ''Nhiệt kỹ thuật ' là một môn học thuộc khối kiến thức kỹ thuật cơ sở; môn học trang bị cho sinh viên tất cả các ngành thuộc khối kỹ thuật những kiến thức chung rộng nhưng không chuyên sâu về các lĩnh vực kỹ thuật liên quan đến kỹ thuật chuyên ngành được đào tạo. Trong nền sản xuất của nước ta khi độ chuyên môn hoá còn chưa cao, thì khối kiến thức kỹ thuật cơ sở có một vai trò hết sức quan trọng, nó giúp cho sinh viên thích ứng nhanh và phát huy hiệu quả tốt trong môi trường sản xuất đa dạng và phức tạp. Nội dung chính của cuốn bài giảng được chia làm hai phần: Phần 1: “Nhiệt động kỹ thuật”, nghiên cứu các quy luật chuyển hoá năng lượng giữa nhiệt và công. Phần 2: “Cơ sở truyền nhiệt”, nghiên cứu các quy luật truyền nhiệt năng trong một vật hoặc giữa các vật có nhiệt độ khác nhau. Cuốn bài giảng đã được biên soạn với sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo Viện nhiệt - lạnh Trường Đại học Bách khoa Hà nội và tham khảo một số tài liệu nước ngoài khác. Vì là biên soạn lần đầu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên hệ cao đẳng, đại học Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên nên không tránh khỏi những thiếu sót, nhầm lẫn tôi rất mong được bạn đọc tham khảo và đóng góp ý kiến. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Trường Đại học KTCN Thái nguyên, Đường 3-2, Thành phố Thái Nguyên. Tác giả MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .1 PHẦN 1. NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT .2 CHƯƠNG I 2 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TRẠNG THÁI VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ 2 I.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN .2 a. Định nghĩa .3 b. Phân loại 3 I.2. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT .4 I.2.1. Định nghĩa thông số trạng thái 4 I.2.2. Các thông số trạng thái của môi chất .4 c. Thể tích riêng .7 d. Nội năng của chất khí 8 e. Năng lượng đẩy .8 f. Entanpi - nhiệt hàm 9 g. Entropi .9 I.3. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA CHẤT KH Í .10 I.3.1. Khái niệm .10 I.3.2. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng (phương trình Clareyperon). 10 I.3.3. Tính toán hỗn hợp khí lý tưởng .11 I.3.4. Phương trình trạng thái của khí thực .15 CHƯƠNG II .16 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT .16 II.1. NHIỆT VÀ CÔNG .16 II.1.1. Phương pháp xác định nhiệt 16 II.1.2. Phương pháp xác định công .20 II.2. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG MỘT 22 II.2.1. Ý nghĩa .22 II.2.2. Phát biểu định luật .22 II.2.3. Biểu thức .23 II.3. QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG 23 II.3.1. Khái niệm quá trình nhiệt động 23 II.3.2. Các giả thiết khi nghiên cứu quá trình nhiệt động 23 II.3.3. Xét quá trình tổng quát đa biến 23 II.3.4. Một số quá trình nhiệt động cơ bản 24 II.4. QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA HƠI NƯỚC 33 II.4.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp của nước .33 II.4.2. Một số khái niệm .36 II.4.3. Bảng, đồ thị của khí thực – xét cụ thể cho hơi nước .37 II.4.4. Tính toán các quá trình của hơi nước .38 II.5. CÁC QUÁ TRÌNH CỦA KHÔNG KHÍ ẨM 39 II.5.3. Đồ thị I- d của không khí ẩm .43 a. Đồ thị I-d .43 151 b. Ứng dụng đồ thị I-d .45 CHƯƠNG III .49 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2 VÀ CHU TRÌNH CARNOT 49 III.1. Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG CỦA ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2 49 III.2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 49 III.2.1. Chu trình thuận chiều .49 III.2.2. Chu trình ngược chiều 50 III.3. CHU TRÌNH CARNOT 51 III.3.1. Chu trình Carnot thuận chiều 51 a. Giới thiệu chu trình 51 b. Đồ thị p -v và T -s của chu trình .52 c. Hiệu suất nhiệt của chu trình 52 III.3.2. Chu trình Carnot ngược chiều 52 a. Giới thiệu chu trình 52 b. Đồ thị p -v và T -s của chu trình .53 c. Hệ số làm lạnh của chu trình 53 CHƯƠNG IV .54 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ NHIỆT 54 A. Chu trình thuận chiều 54 IV.1. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG-XÉT CỤ THỂ CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .54 IV.1.1. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt đẳng tích 55 IV.1.2. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt đẳng áp 56 IV.1.3. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt hỗn hợp .57 IV.2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC HƠI NƯỚC .59 IV.2.1. Sơ đồ nguyên lý thiết bị .59 IV.2.2. Chu trình Rankine 59 IV.2.3. Xác định hiệu suất nhiệt .60 B. Chu trình ngược chiều .60 IV.3. CHU TRÌNH THIẾT BỊ LÀM LẠNH DÙNG MÁY NÉN KHÍ .61 IV.3.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị (Hình 4-6) .61 IV.3.2. Chu trình nhiệt động 61 IV.4. CHU TRÌNH THIẾT BỊ LÀM LẠNH DÙNG MÁY NÉN HƠI .62 IV.4.1. Môi chất lạnh .62 IV.4.2. Yêu cầu kỹ thuật 62 IV.4.3. Các loại môi chất lạnh 63 IV.4.4. Phương trình trạng thái và đồ thị nhiệt động cho môi chất lạnh 64 IV.4.5. Sơ đồ nguyên lý thiết bị .67 IV.4.6. Chu trình nhiệt động 67 IV.4.7. Hệ số làm lạnh của chu trình .68 PHẦN 2. TRUYỀN NHIỆT .69 Chương I .69 DẪN NHIỆT .69 152 I.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN .69 I.1.1. Dẫn nhiệt 69 I.1.2. Trường nhiệt độ 69 I.1.2.1. Khái niệm 69 I.1.2.2. Phân loại 69 I.1.3. Mặt đẳng nhiệt 70 I.1.4. Gradien nhiệt độ .70 I.1.5. Dòng nhiệt và mật độ dòng nhiệt 70 I.1.6. Định luật Fourier về dẫn nhiệt 71 I.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT .72 I.2.1. Phương trình vi phân dẫn nhiệt .72 I.2.2. Điều kiện đơn trị .73 I.3. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH KHI KHÔNG CÓ NGUỒN NHIỆT BÊN TRONG.74 I.3.1. Bài toán dẫn nhiệt qua vách phẳng 74 I.3.2. Bài toán dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ 76 I.3.3. Bài toán dẫn nhiệt ổn định qua vách cầu .76 I.3.4. Bài toán dẫn nhiệt ổn định khi =f(t) 77 Chương II 79 TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU 79 II.1. KHÁI NIỆM 79 II.1.1. Quá trình đối lưu 79 II.1.2. Tỏa nhiệt đối lưu .79 II.1.2.1. Khái niệm .79 II.1.2.2. Phân loại 79 II.1.3. Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình tỏa nhiệt đối lưu 79 II.1.4. Công thức Newton -Rickmman 79 II.2. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TOẢ NHIỆT  .80 II.2.1. Phương pháp giải tích (phương pháp lý thuyết) .80 II.2.1.1. Hệ phương trình vi phân tỏa nhiệt gồm 4 phương trình: 80 II.2.1.2. Điều kiện đơn trị .80 II.2.2. Phương pháp thực nghiệm .81 II.2.3. Một số bài toán trao đổi nhiệt đối lưu 83 Chương III .91 TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ .91 III.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 91 III.1.1. Trao đổi nhiệt bức xạ .91 III.1.2. Sự phân bố năng lượng trong vật 91 III.1.3. Năng suất bức xạ, năng suất bức xạ riêng, năng suất bức xạ hiệu dụng.92 III.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ 93 III.2.1. Định luật Planck .93 III.2.2. Định luật Stefan -Boltzmann 94 III.2.3. Định luật Kirshoff 94 153 III.3. CÁC BÀI TOÁN TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG SUỐT 95 III.3.1. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa 2 tấm phẳng đặt song song 95 III.3.2. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai bề mặt bọc nhau 99 III.4. BỨC XẠ CHẤT KHÍ .101 III.4.1. Đặc điểm bức xạ của chất khí .101 III.4.2. Năng suất bức xạ của chất khí 101 III.4.3. Tính trao đổi nhiệt bức xạ giữa khối khí với bề mặt bao quanh nó 102 III.5. BỨC XẠ MẶT TRỜI .102 III.5.1.Giới thiệu khái quát .102 III.5.2. Bức xạ mặt trời 103 Chương IV 104 TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT .104 IV.1. KHÁI NIỆM .104 IV.1.1. Khái niệm truyền nhiệt .104 IV.1.2. Phương pháp giải bài toán truyền nhiệt .104 IV.2. CÁC BÀI TOÁN TRUYỀN NHIỆT CƠ BẢN .104 IV.2.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng .104 IV.2.2. Truyền nhiệt qua vách trụ .106 IV.2.3. Tăng cường hoặc hạn chế truyền nhiệt .106 IV.3. THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT .109 IV.3.1. Thiết bị trao đổi nhiệt và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt 109 IV.3.2. Phương trình tính toán thiết bị trao đổi nhiệt 109 a. Phương trình cân bằng nhiệt .109 b. Phương trình truyền nhiệt 111 PHẦN BÀI TẬP 114 PHỤ LỤC 122 MỤC LỤC .151