Giáo trình mô đun Nhiệt kỹ thuật - Nghề: Khai thác máy tàu thủy
CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI I
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC/MÔ ĐUN: NHIỆT KỸ THUẬT
NGHỀ: KHAI THÁC MÁY TÀU THỦY
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số.....QĐ/ ngày......tháng........năm....của ...........)
1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép
dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh
thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
2
LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật là một trong nhưng giáo trình cơ sở của trường Cao
đẳng Hàng hải 1. Giáo trình này được biên soạn theo đề cương chương trình chung
của Tổng cục dạy nghề. Khi biên soạn tác giả chú ý đến cả phần kiến thức lý thuyết
cũng như vận dụng vào các bài tập để có thể đáp ứng cho sinh viên.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng trong giáo trình không tránh khỏi những khiếm
khuyết. Tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp của đồng nghiệp và các em
sinh viên.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các đồng nghiệp trong Khoa Cơ
khí- Trường cao đẳng Hàng hải 1 để có thể hoàn thành giáo trình này
Hải Phòng, ngày 20 tháng 9 năm 2017
Chủ biên Ths. Trịnh Thị Bích Thủy
3
MỤC LỤC
Nội dung
TT
1
2
Trang
3
4
Lời giới thiệu
Mục lục
3
4
Danh mục bảng, biểu, hình vẽ
Bài mở đầu
6
5
7
7
Chương 1. Nhiệt động học
1. Một số khái niệm cơ bản
2. Định luật nhiệt động học thứ nhất
3. Định luật nhiệt động học thứ hai
4. Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong
Chương 2: Truyền nhiệt
1. Dẫn nhiệt
2. Trao đổi nhiệt đối lưu
3. Truyền nhiệt
Tài liệu tham khảo
20
30
35
45
45
55
59
67
68
6
7
8
Phụ lục
4
DANH MỤC BẢNG, BIỂU, HÌNH VẼ
Nội dung
TT
Trang
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Sơ đồ máy điều hòa không khí
Sơ đồ động cơ tua bin khí
Sơ đồ cấu tạo cơ bản của động cơ nhiệt
Công giãn nở
Đồ thị p-v và T- s của quá trình đẳng tích
8
9
10
19
22
23
Hình 1.6
Đồ thị p-v và T-s của quá trình đẳng áp
Đồ thị p-v và T-s của quá trình đẳng nhiệt
24
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Đồ thị p-v và T-s của quá trình đoạn nhiệt
Đồ thị p-v và T-s của quá trình đa biến
26
29
31
31
32
34
36
39
41
41
43
44
46
48
49
50
53
59
62
63
Hình 1.10 Đồ thị p-v chu trình thuận chiều
Hình 1.11 Đồ thị p-v và T- s của chu trình Carnot thuận Chiều
Hình 1.12 Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carnot ngược chiều
Hình 1.13 Đồ thị p-v và T-s của chu trình ĐCĐT cấp nhiệt đẳng tích
Hình 1.14
Đồ thị p-v và T-s của chu trình ĐCĐT cấp nhiệt đẳng áp
Hình 1.15 Đồ thị p-v và T-s của chu trình ĐCĐT cấp nhiệt hỗn hợp
Hình 1.16 Đồ thị T-s của 3 chu trình ĐCĐT khi cùng tỉ số nén và q1
Hình 1.17 Đồ thị T-s của 3 chu trình ĐCĐT khi cùng q2 và pmax, Tmax
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Dẫn nhiệt
Gradian nhiệt độ
Dẫn nhiệt qua vách phẳng 1 lớp
Dẫn nhiệt qua vách phẳng 1 lớp
Dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp
Thí nghiệm Reynolds
Truyền nhiệt qua vách phẳng 1 lớp
Truyền nhiệt qua vách trụ 1 lớp
Thiết bị trao đổi nhiệt
Hình 2.10 Cách nhiệt cho ống xả động cơ
5
MÔN HỌC NHIỆT KY THUẬT
Mã số môn học: MH.6840111.08
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun:
- Vị trí: Môn học này cần phải được bố trí học sau các môn: vẽ kỹ thuật, dung sai và
kỹ thuật đo, vật liệu cơ khí, cơ kỹ thuật, nguyên lý chi tiết máy….
- Tính chất: Đây là môn học kỹ thuật cơ sở, nghiên cứu những quy luật biến đổi của
năng lượng ( chủ yếu là giữa năng lượng nhiệt và cơ năng) và quy luật truyền nhiệt
chủ yếu trong tự nhiên cũng như trong các thiết bị trao đổi nhiệt.
- Ý nghĩa, vai trò của môn học: Môn học Nhiệt kỹ thuật đóng vai trò nền móng cho
gần như toàn bộ các môn học chuyên môn của hai ngành Máy khai thác và Cơ khí, ví
dụ: Động cơ đốt trong, nồi hơi, máy phụ,trang trí hệ thống động lực...vv...
Mục tiêu của môn học/mô đun:
- Về kiến thức: Trình bày được các khái niệm cơ bản, các thông số của các quá trình
nhiệt động, việc truyền dẫn nhiệt và nguyên lý hoạt động của các loại động cơ nhiệt.
- Về kỹ năng: Tính toán được các quá trình nhiệt động của động cơ nhiệt và tính toán
được quá trình truyền nhiệt; nhận dạng được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các
loại động cơ nhiệt sử dụng trên tàu thủy.
- Về năng lực tự chủ và chịu trách nhiệm: Có thái độ nghiêm túc trong học tập, nghiên
cứu và tuân thủ nghiêm ngặt nội quy, quy chế trong giáo dục để hoàn thành nội dung
cũng như mục tiêu của môn học.
6
BÀI MỞ ĐẦU
Nhiệt động kỹ thuật được xây dựng dựa trên cơ sở của ba định luật: Định luật
nhiệt động thứ không, định luật nhiệt động I và định luật nhiệt động II. Định luật nhiệt
động thứ không xác định khi nhiệt độ của hai vật bằng nhiệt dộ của vật thứ ba thì
nhiệt độ của hai vật đó bằng nhau. Định luật nhiệt động I thực chất là định luật bảo
toàn và chuyển hóa năng lượng viết cho sự chuyển hóa giưa nhiệt và công về mặt số
lượng. Tuy nhiên, quy luật chuyển hóa này phụ thuộc vào điều kiện và chiều chuyển
hóa. Một ví dụ mà ai cũng biêt: cơ năng có thể chuyển hỏa thành nhiệt năng nhưng
ngược lại, nhiệt năng không thể hoàn toàn chuyển thành cơ năng. Định luật nhiệt
động II xác định điều kiện và mức độ chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng và các
dạng năng lượng khác. Nói cách khác, nếu định luật I phát biểu về quan hệ số lượng
trong quá trình chuyển hóa giữa nhiệt và cơ thì định luật nhiệt động II đề cấp đến điều
kiện và chất lượng của sự chuyển hóa đó.
Sự chuyển hóa giữa nhiệt năng và cơ năng được thực hiện nhờ một hệ thống
thiết bị thông qua một hay nhiều môi chất. Hệ thống thiết bị thực hiện sự chuyển hóa
giữa nhiệt và công được gọi chung là các máy nhiệt. Nếu máy nhiệt tiêu thụ một
lượng nhiệt nào đó để sản sinh cho chúng ta một cơ năng tương ứng thì máy nhiệt dó
được gọi là động cơ nhiệt. Ô tô, xe máy và phức tạp hơn như là nhà máy nhiệt điện
v.v...là những động cơ nhiệt. Ngược lại, nếu máy nhiệt tiêu thụ một cơ năng hay một
dạng năng lượng nào khác để chuyển nhiệt năng từ nguồn có nhiệt độ thấp đến nguồn
có nhiệt độ cao hơn thì được gọi là bơm nhiệt. Nói cách khác, bơm nhiệt và máy lạnh
là hai loại máy nhiệt tiêu thụ công để cho chúng ta nhiệt.
Chất môi giới phổ biến trong các máy nhiệt là chất khí sau đó đến các chất lỏng
và hơi của chúng. Chất khí được chia ra khí lý tưởng và khí thực. Vì vậy, trước khi
nghiên cứu sự chuyển hóa giữa nhiệt và công , chúng ta nghiên cứu cách xác định
trạng thái của môi chất, cụ thể là cách xác định trạng thái của các chất khí và sau đó là
các chất lỏng và hơi của chúng.
Máy nhiệt làm việc theo nhiều quá trình xảy ra liên tiếp và khép kín. Do đó,
trước khi nghiên cứu sự chuyển hóa giữa nhiệt và công trong các máy nhiệt chúng ta
nghiên cứu sự chuyển hóa đó trong từng quá trình. Vì vậy, cách xác định trạng thái,
sự chuyển hóa năng lượng giữa nhiệt và công trong các quá trình và cuối cùng là
nguyên lý làm việc của các máy nhiệt để thực hiện sự chuyển hóa.
7
Chương 1: NHIỆT ĐỘNG HỌC
Mã chương: MH.6840111.08.01
Mục tiêu:
- Trình bày được các thông số cơ bản của các quá trình nhiệt động, viết và giải thích
được các phương trình nhiệt động và thông số trạng thái;
- Trình bày được chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong, phạm vi ứng dụng của các
chu trình nhiệt động, so sánh được hiệu suất nhiệt của các chu trình;
- Tính toán được các quá trình lý thuyết và ứng dụng của chu trình Các nô vào thực
tế;
- Tính toán được các thông số tại các vị trí đặc trưng cho các chu trình nhiệt động; so
sánh được hiệu suất nhiệt của các chu trình nhiệt động để tìm ra chu trình tối ưu phù
hợp với từng loại động cơ sử dụng nguyên lý đốt trong;
- Có thái độ nghiêm túc trong học tập, nghiên cứu, hoàn thành nội dung yêu cầu.
1. Một số khái niệm cơ bản
1.1. Các khái niệm cơ bản
1.1.1. Hệ thống nhiệt động:
Đây là một khái niệm hết sức quan trọng trong nhiệt động lực học có thể xem.
Hệ thống nhiệt động như là khoảng không gian trong đó có chứa một lượng nhất định
ch.m.g đang được khảo sát bằng các biện pháp nhiệt động. Ta gọi tất cả những gì
không nằm trong hệ thống và không thuộc phạm vi khảo sát là môi trường. Ở bất kỳ
hệ thống nào cũng luôn tồn tại bề mặt ranh giới ngăn cách giữa ch.m.g và môi
trường. Hệ thống nhiệt động bao gồm:
a. Hệ thống nhiệt động kín: Lượng ch.m.g ở bên trong hệ thống được duy trì không
đổi, ch.m.g không thể đi xuyên qua bề mặt ranh giới ngăn cách giữa hệ thống và môi
trường.
Ví dụ: Thiết bị động lực hơi nước có bình ngưng, hệ thống máy lạnh...
Hình 1.1: Sơ đồ máy điều hòa không khí
8
b. Hệ thống nhiệt động hở: Trong hệ thống hở ch.m.g có thể đi vào hoặc đi ra khỏi hệ
thống, có nghĩa là có thể đi xuyên qua bề mặt ranh giới giữa hệ thống và môi trường.
Ví dụ: Động cơ đốt trong , động cơ phản lực.
Hình 1.2: Sơ đồ động cơ tua bin khí
c. Hệ thống nhiệt động đoạn nhiệt: Đoạn nhiệt là thuật ngữ được dùng để chỉ trường
hợp mà giữa ch.m.g và môi trường không có sự trao đổi nhiệt.
d. Hệ thống nhiệt động cô lập:Là hệ thống không có sự trao đổi nhiệt và công với môi
trường.
1.1.2. Nguồn nhiệt:
Bao gồm nguồn nóng và nguồn lạnh. Khái niệm nóng và lạnh của nguồn nhiệt chỉ
có ý nghĩa tương đối trong từng hệ nhiệt động cụ thể. Nếu xét trong cùng một hệ thì
nguồn nào có nhiệt độ cao hơn sẽ được gọi là nguồn nóng, nguồn nào có nhiệt độ thấp
hơn gọi là nguồn lạnh, do ý nghĩa tương đối như vậy cho nên: Với cùng một nguồn có
thể đối với hệ này nó là nguồn nóng còn đối với hệ kia nó là nguồn lạnh.
1.1.3.Máy nhiệt
Máy nhiệt là thiết bị thực hiện quá trình chuyển hoá giữa nhiệt năng và cơ năng
giữa 2 nguồn nhiệt (nguồn nóng có nhiệt độ k/h T1, nguồn lạnh có nhiệt độ T2).
Máy nhiệt được chia làm 2 loại:
Động cơ nhiệt: Là loại máy nhiệt dùng để sinh công. Trong các loại máy này ch.m.g
sẽ vận chuyển nhiệt lượng theo chều thuận từ nguồn nóng đến nguồn lạnh và dãn nở
sinh công.
9
Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo cơ bản của động cơ nhiệt
Nguyên tắt hoạt động: Chất môi giới nhận nhiệt lượng từ nguồn nóng là (Q1) (quá
trình đốt cháy nhiên liệu, phản ứng hoá học..) giãn nở sinh công (L0) sau đó nhả một
phần nhiệt lượng cho nguồn lạnh là (Q2) (khí quyển hoặc nước).
Theo nguyên tắt bảo toàn năng lượng ta luôn có:
Q1 = L0 + | Q2|
(1.1)
Theo qui ước về dấu trong nhiệt động kỹ thuật:
+ Nhiệt lượng mà chất môi giới nhận được mang dấu dương (+).
+ Nhiệt lượng mà chất môi giới nhả ra mang dấu âm (-).
+ Công mà chất môi giới sinh ra mang dấu dương(+).
+ Công mà chất môi giới tiêu thụ mang dấu âm (-)
Để đánh giá hiệu suất của động cơ nhiệt (tức mức độ biến đổi từ nhiệt ra công) người
ta sử dụng khái niệm hiệu suất nhiệt kí hiệu là được tính:
Q Q2
Q2
L0
1
1
=
=
(1.2)
Q
Q
Q1
1
1
Nếu tính cho 1 đơn vị khối lượng của ch.m.g ta có:
q2
1
(1.3)
q1
Bơm nhiệt, máy lạnh: Bơm nhiệt và máy lạnh đều là loại máy nhiệt nhận công từ bên
ngoài để vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược từ nguồn lạnh đến nguồn nóng.
Nguyên tắc hoạt động: chất môi giới nhận nhiệt lượng từ nguồn lạnh là (Q2) sau đó
tiếp xúc với nguồn nóng và nhả ra cho nguồn nóng một nhiệt lượng là (Q1) trong quá
trình đó tiêu hao một lượng công là (L0).
Ta có:
(1.4)
Q Q2 L0
1
10
Để đánh giá hiệu quả của các loại máy nhiệt làm việc theo chiều ngược người ta dùng
các hệ số sau:
Với máy lạnh: Hệ số làm lạnh kí hiệu:
Q2
L0
Q2
=
(1.5)
(1.6)
Q Q2
1
Với bơm nhiệt: Hệ số làm nóng kí hiệu:
Q
Q
1
1
=
L0
Q Q2
1
1.1.4. Chất môi giới( ch.m.g)
Chất môi giới là những chất trung gian thực hiện quá trình biến đổi giữa nhiệt
và công trong các máy nhiệt.
Đây là một thành phần quan trọng và không thể thiếu được trong các loại máy
nhiệt. Về nguyên tắc, ch.m.g có thể ở một trong 3 cơ bản : Rắn, lỏng, khí. Trong các
máy nhiệt ta thường gặp ch.m.g ở thể khí (vì chất khí có khả năng thay đổi thể tích
rất lớn khi nhiệt độ thay đổi nên có khả năng trao đổi công lớn).
1.2. Khí lý tưởng và các thông số trạng thái của khí lý tưởng
1.2.1. Khí lý tưởng
Về nguyên tắc, môi chất trong nhiệt động học có thể ở thể rắn, thể lỏng hoặc thể
khí. Tuy nhiên, thể lỏng và khí là phổ biến hơn cả. Vì vậy, chúng ta chỉ nghiên cứu
chủ yếu phương pháp xác định trạng thái của các chất khí, và sau đó là một số chất
lỏng và hơi thường gặp trong kỹ thuật.
Khí lý tưởng là khí không có thể tích bản thân phân tử, không có lực tương tác
giữa chúng và không có biến pha. Ngược lại, khí thực là khí có thể tích bản thân phân
tử, có lực tương tác giữa chúng và có sự biến pha. Lực tương tác giữa các phân tử F
phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có khoảng cách r giữa các phân tử. Theo thuyết
động học, lực tương tác F tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r giữa các phân
tử. Do đó, khoảng cách này càng bé thì lực F càng lớn và ngược lại. Trong thực tế, khí
thực ở trạng thái loãng hay áp suất thấp, khoảng cách giữa các phân tử lớn nên lực
tương tác có thể bỏ qua. Hơn nữa, do ở trạng thái loãng nên thể tích bản thân phân tử
so với thể tích toàn bộ khối khí cũng không đáng kể. Khi đó, khí thực có thể xem là
khí lý tưởng.
1.2.2. Các thông số trạng thái cơ bản
Khí lý tưởng được dùng làm môi chất ở mỗi một trạng thái được xác định bằng
các thông số biểu thị cho trạng thái đó, các thông số trạng thái là các đại lượng vật lý
xác định (trạng thái là một thuật ngữ dùng để chỉ tổng hợp tất cả các đặc trưng vật lý
của ch.m.g tại một thời điểm nào đó và ở một vị trí nào đó trong hệ thống nhiệt
động).
Mỗi một trạng thái bất kỳ của ch.m.g thường được biểu thị bằng 3 thông số cơ
bản: Nhiệt độ tuyệt đối (T); áp suất tuyệt đối (P); thể tích riêng (v) và được gọi là các
thông số trạng thái cơ bản của chất môi giới.
a. Nhiệt độ
11
Nhiệt độ là một đại lượng biểu thị mức độ nóng lạnh của một vật (Theo thuyết động
học phân tử: Nhiệt độ là số đo động năng của các phân tử) và được xác định bằng
m. 2
3.k
biểu thức sau:
T =
(1.7)
Trong đó: T. Nhiệt độ tuyệt đối (0K)
m. Khối lượng phân tử (Kg)
. Tốc độ chuyển động của các phân tử (m/s)
k. Hằng số Bônzơman, k= 1,3805.10-23 J/độ.
Trong thực tế để xác định nhiệt độ của một vật nào đó người ta dùng dụng cụ
đo. Cơ sở của nguyên tắc này là định luật nhiệt thứ không, định luật này nêu rõ: Nếu 2
vật có nhiệt độ t1 và t2 cùng bằng nhiệt độ t3 của một vật thứ 3 thì nhiệt độ của hai vật
đó bằng nhau, tức là t1 =t2. Để lượng hoá khái niệm nhiệt độ hiện nay ngươi ta đưa ra
nhiều loại thang đo nhiệt độ khác nhau:
Mối quan hệ giữa các thang nhiệt độ nêu trên:
t0C =T0K -273,15
T0R = 1,8 T0K
t0F = T0R - 459,67
5
t0C = (t0F – 32)
9
b.Áp suất
Trong nhiệt kỹ thuật chúng ta chỉ nghiên cứu ch.m.g ở trạng thái khí, lỏng nên
áp suất được hiểu rằng: áp suất là lực tác dụng của các phân tư ch.m.g theo phương
pháp tuyến lên một đơn vị diện tích thành bình chứa chất khí hoặc chất lỏng đó. Theo
2
m.
thuyết động học phân tử:
P =
n..
3
Trong đó: : Hệ số có xét đến sự ảnh hưởng của lực tác dụng giữa các phân tử
N: Số phân tử chứa trong 1đơn vị thể tích.
Chú ý: Nếu đo áp suất bằng chiều cao cột thuỷ ngân khi cần kết quả chính xác có thể
sử dụng công thức sau để qui đổi về 00C.
h0 = h( 1- 0,172.10-3t)
h0: chiều cao cột thuỷ ngân qui về 00C
h : chiều cao cột thuỷ ngân ở
p0. áp suất khí quyển
Pd. áp suất dư
t0C
Nếu gọi:
Pck. độ chân không
P. áp suất tuyệt đối
Ta có:
Pd = P - P0(nếu p > p0)
Pck = P0- p (nếu p < p0)
Khi đo: pd dùng Manomet
Pck dùng Cacummet( ck kế)
12
P0 dùng Baromet
c.Thể tích riêng
Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng.
V
m3 / kg
v =
(1.8)
G
Trong đó: V- thể tích choán chỗ của khối ch.m.g khảo sát, m3.
G- khối lượng của khối ch.m.g , Kg.
d. Nội năng, Entanpi, entropi
Nội năng: (U, u), J,kJ. Là năng lượng bên trong của vật bao gồm nội động năng, nội
thế năng, và một số năng lượng khác.( hoá năng, năng lượng nguyên tử). Tại điều
kiện bình thường tổng các năng lượng khác bằng 0.
Ta có: U = Uđ + Ut = f(T, v)
Với KLT : Ut = 0 ( lực tương tác giữa các phân tử bằng không). Vậy U = Uđ.
Entanpi: (I,i ) Là một thông số trạng thái đặc trưng cho quá trình chuyển hóa giữa
nhiệt và công của môi chất.
I =f (T, v) = f(T,p) =F( p,v).
Với KLT I =f(T)
Với KLT không có sự chuyển pha.
Entropi: (S,s) : Đây là một loại thông số trạng thái có vai trò quan trọng trong các
nghiên cứu có tính chất lý luận. Theo định nghĩa của Rankine: “Entrropi là một hàm
nhiệt động”
Entropi là một thông số trạng thái mà lượng biến đổi của nó trong một quá trình thuận
nghịch nào đó. Vi phân của Entropi:
dq
ds=
khi khối lượng ch.m.g là 1Kg đơn vị J/Kg độ
T
dQ
dS =
khi khối lượng ch.m.g là G Kg đơn vị: J/ độ.
T
dq, dQ : Nhiệt lượng trao đổi giữa ch.m.g và môi trường trong một quá trình vô cùng
bé khối lượng tương ứng là 1Kg và G Kg.
1.3. Phương trình trạng thái khí lý tưởng
Từ đó ta có định nghĩa: Phương trình nêu lên mối liên hệ giữa các thông số
trạng thái cơ bản: áp suất, nhiệt độ và thể tích riêng ở trạng thái cân bằng của hệ gọi là
phương trình trạng thái (đơn chất) có dạng: f(p,v,t) = 0
1.3.1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng
Theo thuyết động học phân tử thì nhiệt độ tuyệt đối và áp suất được xác định bằng các
biểu thức sau:
m. 2
T =
( 1.9)
3.k
m. 2
3
Và:
P = .n.
( 1.10 )
(1.11)
p .n.T.k
13
Đối với KLT = 1 (vì là hệ số phụ thuộc vào kích thước bản thân và lực tác
N
n
dụng tương hỗ giữa các vật) và
: Số phân tử có trong 1 đ.vị thể tích.
V
N
p .k.T
Từ 1.12 suy ra:
V
N.
v.
Với 1Kmol khí ta có: n =
Trong đó:
số phân tử có trong 1kmol khí.
N
v . Thể tích tương ứng với 1 kmol khí.
N
v
Từ 1.12 suy ra: p
.K.T
Hay: P.V =N.K.T và p.v = N
.K.T
(1.12)
(K/n 1kmol khí: Là một khối khí có khối lượng tính bằng kg có giá trị bằng phân tử
lượng của khí đó).
Theo Avôgađrô thì bất kỳ KLT nào cũng có số phân tử trong 1kmol là: N
6,023.1026.
Như vậy ta thấy tính số : N
giá trị:
= N
=
.K luôn luôn không đổi và được ký hiệu là:
có
R
.K =6,023.1026 x 1,3805.10-23 = 8314 J/ kmol độ = const. Được gọi là
R
hằng số phổ biến của chất khí.
Phương trình (1.13) có thể viết lại như sau:
(1.13)
(1.14)
p.v R..T
Nếu gọi là khối lượng của 1kmol khí ta có:
v R
P.
.T P.v R.T
ở đây: v. Thể tích riêng, m3/kg
R 8314
R. Hằng số chất khí, J/ kgđộ.( R
J / kg độ)
Từ phương trình 1.13 ứng với một khối khí ta có thể viết:
p.G.v = G.R.T p.V = G.R.T
(1.15)
Các phương trình: 1.14, 1.15, 1.16 được gọi là phương trình trạng thái hay còn
gọi là phương trình Clapeyron của KLT lần lượt ứng với: 1kmol, 1kg và G kg khí
khảo sát.
Cần chú ý: Sử dụng thứ nguyên cho phù hợp cho mỗi loại thông số trong các
phương trình trên cụ thể:
p. áp suất tuyệt đối, N/m2
v .Thể tích ứng với 1kmol khí, m3/ kmol.
R Hằng số phổ biến của chất khí, J/kmol độ
T. Nhiệt độ tuyệt đối, 0k
v. Thể tích riêng, m3/ kg.
R. Hằng số chất khí, mỗi chất khí ứng với một giá trị khác nhau, J/kg độ.
14
V. Thể tích của khối khí , m3
G. Khối lượng tương ứng của khối khí, kg.
1.3.2. Phương trình trạng thái của khí thực
Phương trình có dạng:
a
v2
p
.
v b
RT
( 1.16 )
a
v2
a. 2
Ta có:
và áp suất khí thực sẽ bằng:
a
v2
p
P+
Trong đó: a. hệ số tỉ lệ có giá trị xác dịnh phụ thuộc vào bản chất của chất khí.
Đại lượng hiệu chỉnh :”b” kể đến thể tích bản thân của các phân tử. Đó là thể tích do
các phân tử khí choán chỗ.
Từ phương trình ( 1.16) ta thấy khi áp suất p giảm xuống và nhiệt độ tăng lên khá cao
a
v2
yhif thể tích riêng v rất lớn do đó tỉ số
sẽ tiến đến 0 và hiệu v-b tiến đến 0. Lúc
này phương trình (1.16) trở về phương trình 1.15.
1.4. Nhiệt dung riêng và các cách tính nhiệt
1.4.1. Khái niệm
Nhiệt lượng là lượng năng lượng đi xuyên qua bề mặt ranh giới khi giữa ch.m.g và
môi trường có sự chênh lệch về nhiệt độ.
Như vậy cần thấy rõ: Nhiệt lượng chỉ xuất hiện khi ch.m.g tiến hành một quá trình.
Kí hiệu: Q. đơn vị đo là: J, kJ, Kcal nếu tính cho G kg.
q. đơn vị đo là J/ kg, kJ/ kg, kcal/ kg nếu tính cho 1kg.
1J = 0.24 cal, 1kJ = 0.24 kcal.
Giả sử ta có khối đồng ở nhiệt độ t1 và một lượng nước ở nhiệt độ t2( t2< t1) Ta không
thể nói ở trạng thái đó nhiệt lượng có trong khối đồng là bao nhiêu.
1.4.2.Phân loại nhiệt dung riêng
Hãy khảo sát một quá trình nguyên tố: Nếu ta cung cấp cho vật ,một nhiệt lượng
dQ
C
vô cùng nhỏ dQ thì nhiệt độ vật thay đổi một lượng là dt vậy tỉ số:
được gọi là
dt
nhiệt dung của vật(đơn vị đo: J/độ).
đối với chất khí C phụ thuộc vào quá trình mà khối khí đã nhận nhiệt:
Nếu quá trình là đẳng áp ta gọi là nhiệt dung đẳng áp. KH: CP
Nếu. . . . . .. . .. ..đẳng tích. . . . . . . . . . . . . . . .đẳng tích. KH: CV
Nếu. . . . . . . . . .đa biến . . . . . . . . . . . . . . . . . đa biến KH: Cn
- Tỉ số giữa nhiệt dung của vật và khối lượng của nó được gọi là: Nhiệt dung
riêng(NDR) khối lượng KH: c
C
dQ
dq
c =
J/kg độ, kJ/ kg độ, kcal/ kg độ.
( 1.17 )
G
G.dt dt
15
-Tỉ số giữa nhiệt dung của vật với thể tích của khối khí ( trong điều kiện tiêu chuẩn)
được gọi là NDR thể tích. KH: c,
C
c, =
J/ m3 độ.
tc
Vtc
- Tỉ số giữa nhiệt dung của vật với số kmol của khối khí được gọi là: NDR kilomol.
C
c
KH: C
J/n kmol độ
M
Giữa 3loại NDR có mối quan hệ sau:
c, .Vtc
c .M c
c
c
c
c, .vtc
c,
G
G
.vtc 22,4
Cũng giống như nhiệt dung chất khí, tuỳ thuộc vào quá trình chất khí đã nhận nhiệt
,
mà ta có thể có: NDR đẳng áp :
(
)
cp ,cp ,cp
cv ,cv, , cv
cn ,cn, cn
NDR đẳng tích :
Hay NDR đa biến :
-Giữa NDR đẳng tích và NDR khối lượng đẳng áp có mối quan hệ như sau:
Đối với KLT ta có công thức Maye:
8314
cp cv R
J/ kg độ.
(1.18)
Với 1kmol khí ta có:
cp cv R 8314
J/ kmol độ.
Như vậy: NDR đẳng áp luôn > NDR đẳng tích.
-Tỉ số giữa NDR đẳng áp và NDR đẳng tích được gọi là số mũ đoạn nhiệt. KH: k
cp
k
(1.19)
cv
R
kR
c
,cp
Từ (1.19) và (1.20) suy ra:
Đối với KLT k là hằng số không phụ
v
k 1
k 1
thuộc vào trạng thái của chất khí, mà chỉ phụ thuộc vào số nguyên tử trong một phân
tử khí.
Loại khí
k
cv(kJ/ kmol độ)
cp (kJ/ kmol độ)
Khí 1 ng. tử
Khí 2 ng. tử
1,67
1,40
12,6
20,9
20,9
29,3
29,3
37,7
Khí 3 ng. tử
1,30
Nếu trong quá trình từ 1 2 một đơn vị ch.m.gđược cung cấp một nhiệt lượng q. và
nhiệt độ thay đổi từ 1 2 thì:
t2
q
c
Được gọi là NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ từ 1 2.
t2 t1
t1
dq
c
Nếu ( t1- t2) O thì NDR trung bình tiến tới NDR thực tại t. và :
dt
16
Để tính toán nhiệt lượng khi yêu cầu độ chính xác không cao lắm ta có thể sử
dụng giá trị NDR theo bảng trên.
Khi yêu cầu độ chính xác cao hơn có thể coi NDR có quan hệ bậc một ( đường thẳng)
với nhiệt độ theo công thức:
C = ao + a1t.
Nếu yêu cầu độ chính xác càng cao và ở trạng thaí càng xa KLT có thể lấy theo quan
hệ bậc hai hoặc cao hơn nữa.
C = ao + a1t + a2t2+. . . .+ antn
Trong đó: a1, a2 ,. . . an. Hệ số xác định tuỳ mỗi chất khí bằng thực nghiệm. Trong
tính toán kỹ thuật thường lấy theo quan hệ bậc một là đủ.
1.4.3. Các cách tính nhiệt
a.Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ
Để tính nhiệt lượng q khi 1kg ch.m.gthay đổi nhiệt độ từ t1t2 ta
t2
t2
t2
q
có:
c q c
t2 t1
cdt
t2 t1
t1
t1
t1
Giá trị NDR trung bình đẳng áp, đẳng tích trong khoảng nhiệt độ bất kỳ có thể tra
được trong các sổ tay kỹ thuật. Thông thường sổ tay kỹ thuật người ta cho biết NDR
t
trung bình từ OoC đến nhiệt độ t bất kỳ nào đó tức cho c .
o
Nhiệt lượng cần thiết để nâng 1đơn vị ch.m.gtừ nhiệt độ t1t2 có thể xác định theo
công thức:
t2
t2
t1
t2
o
t1
o
t2
t1
q q q c
t2 o
c
t1 o c t2 c t1
t1
o
o
o o
t1
t1
Nếu viết cho G kg: Q G c t2 c t1
to
o
Từ đó suy ra cách tính NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ từ t1t2khi biết NDR
trung bình từ 0 t2 và từ 0 t1:
t2
t1
c .t2 c .t1
t2
0
0
c
(1.20)
t1
t2 t1
Cũng có thể xác định NDR trung bình theo NDR thực:
t2
cdt
t2
t1
c
t2 t1
t1
Nếu NDR phụ thuộc nhiệt độ theo quan hệ đường thẳng ta có:
17
C = a0 + a1t1. Thay vào (1.21) ta có:
t22 t12
t2
a0 a1t2
t2
t2 t1
a0 a1t1
t1 a0
t2 t1
a1
t2 t1
c
t1
t2
c a0 a1
t1 t2
t1
Khi cần tính NDR của hỗn hợp khí ta dùnh công thức sau:
n
Ch = g1c1 + g2 c2+. . . . .+ gn cn =
(kJ/ kg độ)
gici
i1
n
c,h r c1, r2c,2 .... rnc,n r ci,
(kJ/ m3 độ)
tc
1
i
i1
n
(kJ/kmol độ)
ch r1c1 r2c2 .... rncn rici
i1
b.Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi Entropi
Entropi cũng là một thông số trạng thái. Entropi không trực tiếp đo được mà
phảI tính toán qua các thông số trạng thái khác Entropi có giá trị vi phân tính theo
công thức:
dq
dQ
ds
hay dS
T
T
Như vậy:
dq=T.ds
s2
S2
(1.21)
q T.ds hay Q T.dS
s1
S1
Từ công thức trên, nếu xác định được hàm số T=T(s) ta có thể tính được nhiệt
lượng q.
Ngoài ra sử dụng công thức trên ta cũng có thể xác định được nhiệt độ trung
bình của quá trình: T=q/(s2-s1).
(1.20)
1.5. Các loại công
1.5.1. Công giãn nở: (có trong cả hệ kín và hệ hở).
Khái niệm: Công giãn nở là công do ch.m.g thực hiện khi có sự thay đổi về thể tích.
để tính toán công thay đổi thể tích của ch.m.g chúng ta hãy khảo sát một hệ thống sau:
Chất khí được nhốt trong xi lanh có piston đậy kín, xem như chuyển động của piston
không có ma sát, trên piston có đổ cát. Gọi tiết diện piston là: A
Trọng lượng của piston và cát là: G, áp suất chất khí bên trong piston là: p
Khi hệ cân bằng ta có:
G
p
A
18
P
piston
G
Cát
p
1
P1
b
pdv
A
a
P2
2
pdv
v2
Hình 1.4: Công giãn nở
xilanh
dv
v1
v
Nếu lấy đi 1 hạt cát thì trạng thái cân bằng bị phá vỡ piston sẽ dịch chuyển một
đoạn nhỏ dh thể tích khối khí sẽ tăng lên một lượng dh.A cho rằng sự thay đổi này vô
cùng chậm nên có thể xem quá trình xảy ra trong điều kiện: p = const khi đó công
dịch chuyển: dL = p.dh.A Hay công thực hiện được do sự thay đổi thể tích sẽ bằng:
dL = p.dV
Nếu tiếp tục lấy từng hạt cát ra khỏi piston thì thể tích khối khí sẽ tăng từ V1 V2 khi
ấy công của hệ thống sinh ra là:
V2
( J, kJ)
(1.22)
(1.23)
L p.dV
V
1
Nếu xét cho 1kg chất khí trong xi lanh ta được.
v2
( J/kg, kJ/kg)
l p.dv
v1
Nếu: dv > 0 v2 > v1 dl > 0 ch.m.g sinh công ( ch.m.ggiãn nở)
dv < 0 v2 < v1 dl < 0 ch.m.g nhận công ( ch.m.gbị nén )
Dựa vào đồ thị biểu diễn quá trình biến đổi của ch.m.g ta thấy giá trị của dl=
dt:12v2v1. Như vậy công thay đổi thể tích không chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và
cuối mà còn phụ thuộc vào đặc điểm hình dáng của quá trình đó ( l.1a2 < l.1b2 ).
1.5.2. Công kỹ thuật: KH. Lkt, lkt (J, J/kg)
Khái niệm: Công kỹ thuật là công của dòng khí chuyển động ( hệ hở) thực hiện được
khi áp suất của chất khí thay đổi. Trong hệ thống hở vì ch.m.g bắt buộc phải thay đổi
vị trí, cần tiêu hao một lượng công gọi là công lưu động. Phần công dùng để thoả mãn
các phụ tải bên ngoài trong trường hợp này thường gọi là công kỹ thuật, chính bằng
công giãn nở trừ đi công lưu động.
nh thì
l = lkt ( vì llđ = 0 ).
1.5.3. Công ngoài: KH. Ln, ln ( J, J/ kg )
Khái niệm: Công ngoài là công mà hệ trao đổi với môi trường. đây chính là công hữu
ích mà ta nhận được từ hệ hoặc công tiêu hao từ môi trường tác dụng vào hệ. để tìm
hiểu biẻu thức tổng quát của công ngoài chúng ta nhận thấy ch.m.g trong hệ nhiệt
động có khả năng sinh công tác động đến môi trường, khi thể tích của nó tăng, ngoại
19
động năng giảm, ngoại thế năng giảm. Khi bỏ qua ngoại thế năng ta có biểu thức tổng
quát:
2
2
dln = dl - d (pv ) -
d
(1.24)
- Với hệ kín: dln = dl = pdv
2
2
2
2
- Với hệ hở: dln = dlkt -
d
dlkt = dln +
d
. Nếu sự thay đổi ngoại động năng
nhỏ có thể bỏ qua thì ta có: dln = dlkt
2. Định luật nhiệt động I
2.1. Định luật nhiệt động số 1
1.1.1. Định luật nhiệt động I viết cho hệ kín:
Ta có:
W2 W W W2 W W
( 1.25)
1
1
Vì trong các quá trình nhiệt động năng lượng chỉ được nhận vào hay thải ra dưới dạng
nhiệt và công, ngoài ra chúng ta đã qui ước nhiệt lượng nhận vào là dương, công nhận
vào là âm. Do đó ta có:
W Q L
Trong đó: W1. Năng lượng của hệ ở đầu quá trình.
W2 Năng lượng của hệ ở cuối quá trình.
Q. Tổng nhiệt lượng nhận vào hay thải ra trong quá trình.
L. Tổng công nhận vào hay sinh ra trong quá trình.
Thay giá trị
vào ta được:
W
W2 W Q L
1
Mặt khác trong các hệ nhiệt động kín năng lượng toàn phần của hệ sẽ bằng lượng thay
W W U U
đổi nội năng của nó (
1). Công trong trường hợp này là công thay
2
1
2
đổi thể tích:
V
2
. Vậy ta có biểu thức của định luật nhiệt động I viết cho hệ kín:
L pdV
V
1
V
V
2
2
( J )
Q U U pdV U pdV
V
1
2
1
V
1
v2
Khi khảo sát 1kg ch.m.gta có:
( J/ kg )
q u pdv
v1
Có thể viết lại phương trình ở dạng ứng với một biến đổi VCB của ch.m.g như sau:
dq = du + dl hay dq = du + pdv ( J/ kg ) (1.27)
Phát biểu: Nhiệt lượng cung cấp cho hệ một phần dùng để biến đổi nội năng của hệ
phần còn lại để thực hiện công.
2.1.2. Định luật nhiệt động I viết cho hệ hở:
Đối với hệ thống nhiệt động hở ta có:
20
Tải về để xem bản đầy đủ
83 trang
26044
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình mô đun Nhiệt kỹ thuật - Nghề: Khai thác máy tàu thủy", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_mo_dun_nhiet_ky_thuat_nghe_khai_thac_may_tau_thuy.pdf
