Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật được biên soạn nhằm phục vụ cho việc học tập của sinh viên đào tạo đại học các chuyên ngành của nhà trường.Tài liệu gồm 2 phần: Nhiệt động học và truyền nhiệt.Phần 1. Nhiệt động học có 8 chương, trình bày hai định luật cơ bản: Định luật nhiệt động thứ nhất, định luật nhiệt động thứ hai và việc ứng dụng hai định luật này để nghiên cứu các quá trình, các chu trình trong các loại động cơ và máy nhiệt như động cơ đốt trong, tuabin hơi, tuabin khí, động cơ phản lực, máy lạnh.Phần 2. Truyền nhiệt có 4 chương, trình bày các định luật và các dạng trao đổi nhiệt cơ bản: trao đổi nhiệt bằng đối lưu, trao đổi nhiệt bằng bức xạ, trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, và các thiết bị trao đổi nhiệt.Cuốn giáo trình này viết cho sinh viên đào tạo bậc đại học các chuyên ngành của nhà trường. Sau mỗi chương có câu hỏi, bài tập và đáp số để học viên tiện nghiên cứu nâng cao kiến thức.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC GIÁO TRÌNH NHIỆT KĨ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH - 2010 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU Phần NHIỆT ĐỘNG HỌC Chương NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN – TRẠNG THÁI CỦA CHẤT KHÍ 1.1 Những khái niệm 1.2 Phương trình trạng thái chất khí 1.3 Hỗn hợp khí lí tưởng 11 Chương CÁC DẠNG NĂNG LƯNG VÀ ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 2.1 Các dạng lượng đặc tính chúng 16 2.2 Nội 17 2.3 Nhiệt công phương pháp tính nhiệt lượng 18 2.4 Công phương pháp tính công 23 2.5 Năng lượng dòng khí 24 2.6 Đònh luật nhiệt động thứ 26 2.7 Biến thiên nội Entanpi khí lí tưởng 26 Chương CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÍ TƯỞNG 3.1 Nội dung nghiên cứu trình nhiệt động 30 3.2 Các trình nhiệt động 30 Chương CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG – ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ HAI 4.1 Khái niệm chung 41 4.2 Chu trình nhiệt động 41 4.3 Chu trình Các-nô 43 4.4 Đònh luật nhiệt động thứ hai 46 Chương DÒNG CHẢY CỦA KHÍ VÀ HƠI 5.1 Quá trình tiết lưu – hiệu ứng Jun-Tôm-sơn 5.2 Quá trình hỗn hợp khí 5.3.Quá trình lưu động Chương KHÔNG KHÍ ẨM 6.1 Các loại không khí ẩm 6.2 Các thông số trạng thái không khí ẩm 6.3 Đồ thò I – d không khí ẩm ứng dụng Chương CÁC CHU TRÌNH SINH CÔNG 7.1 Khái niệm 49 51 55 64 64 66 69 7.2 Chu trình động đốt cấp nhiệt đẳng tích 7.3 Chu trình động đốt cấp nhiệt đẳng áp 7.4 Chu trình động đốt cấp nhiệt hỗn hợp 7.5 Chu trình thiết bò tua-bin khí 70 73 74 75 Chương CÁC CHU TRÌNH TIÊU HAO CÔNG 8.1 Máy nén khí 8.2 Máy lạnh 85 88 Phần CƠ SỞ TRUYỀN NHIỆT Chương TRUYỀN NHIỆT BẰNG ĐỐI LƯU 9.1 Những nhân tố ảnh hưởng đến trình toả nhiệt đối lưu 9.2 Công thức Niu-tơn 9.3 Lí thuyết đồng dạng 9.4 Toả nhiệt đối lưu tự nhiên 9.5 Toả nhiệt đối lưu cưỡng 93 95 95 97 99 Chương 10 TRAO ĐỔI NHIỆT BẰNG BỨC XẠ 10.1 Những khái niệm 106 10.2 Một số đònh luật xạ 108 10.3 Trao đổi nhiệt xạ vật đặt môi trường suốt 110 Chương 11 TRAO ĐỔI NHIỆT BẰNG DẪN NHIỆT 11.1 Những khái niệm 11.2 Đònh luật Furie 11.3 Dẫn nhiệt ổn đònh chiều với điều kiện biên loại 11.4 Dẫn nhiệt ổn đònh chiều với điều kiện biên loại ba 11.5 Tăng cường cách truyền nhiệt 114 116 120 125 128 Chương 12 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 12.1 Phân loại thiết bò trao đổi nhiệt 12.2 Phương trình cân nhiệt 12.3 Tính toán thiết bò trao đổi nhiệt 135 135 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 142 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời gian qua môn học Nhiệt kó thuật giảng dạy nhà trường cho đối tượng dựa giáo trình Nhiệt kó thuật Trung tâm nghiên cứu thiết bò Nhiệt Năng lượng - Trường Đại học Bách khoa TP.HCM Hiện thiếu số lượng, nội dung không phù hợp với nội dung, chương trình, thời gian đào tạo nhà trường Để đảm bảo cho học viên có đủ tài liệu nghiên cứu tham khảo, phù hợp với nội dung, chương trình, thời gian đào tạo chuyên ngành nhà trường, tài liệu Nhiệt kó thuật biên soạn nhằm phục vụ cho việc học tập sinh viên đào tạo đại học chuyên ngành nhà trường Tài liệu gồm phần: Nhiệt động học truyền nhiệt Phần Nhiệt động học có chương, trình bày hai đònh luật bản: Đònh luật nhiệt động thứ nhất, đònh luật nhiệt động thứ hai việc ứng dụng hai đònh luật để nghiên cứu trình, chu trình loại động máy nhiệt động đốt trong, tua-bin hơi, tua-bin khí, động phản lực, máy lạnh Phần Truyền nhiệt có chương, trình bày đònh luật dạng trao đổi nhiệt bản: trao đổi nhiệt đối lưu, trao đổi nhiệt xạ, trao đổi nhiệt dẫn nhiệt, thiết bò trao đổi nhiệt Cuốn giáo trình viết cho sinh viên đào tạo bậc đại học chuyên ngành nhà trường Sau chương có câu hỏi, tập đáp số để học viên tiện nghiên cứu nâng cao kiến thức Trong trình biên soạn giáo trình không tránh khỏi thiếu sót nhầm lẫn nhỏ, mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc Các tác giả Phần I NHIỆT ĐỘNG HỌC Chương NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN – TRẠNG THÁI CỦA CHẤT KHÍ 1.1 Những khái niệm bản: 1.1.1 Hệ nhiệt động: Tập hợp vật thể có liên quan với nhiệt, ta nghiên cứu phương pháp nhiệt động lực học gọi hệ nhiệt động Tất vật khác không nằm hệ nhiệt động gọi môi trường xung quanh Ví dụ, phương pháp nhiệt động học nghiên cứu tính chất chất khí xi-lanh động trường hợp hệ nhiệt động chất khí, môi trường xung quanh xi-lanh, pit-tông không khí xung quanh Các vật nằm hệ nhiệt động có trao đổi nhiệt với với môi trường xung quanh Dựa vào vai trò vật hệ người ta chia chúng thành nguồn nhiệt nóng, lạnh chất môi giới Tuy vậy, hệ không thiết phải có đủ tất phận nêu Người ta phân loại hệ nhiệt động sau: a) Hệ cô lập không cô lập: - Hệ cô lập hệ không trao đổi lượng với môi trường xung quanh dạng nhiệt Nếu hệ môi trường không trao đổi nhiệt với hệ gọi hệ đoạn nhiệt Nếu hệ môi trường không trao đổi với hệ gọi hệ cô lập phương diện học - Hệ không cô lập hệ có khả trao đổi lượng với môi trường xung quanh dạng nhiệt b) Hệ kín hệ hở: Hệ kín hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh Còn hệ hở hệ có khả trao đổi vật chất với môi trường xung quanh 1.1.2 Chất môi giới thông số trạng thái: a) Chất môi giới: Để biến nhiệt thành phải dùng chất trung gian gọi chất môi giới hay chất công tác Bình thường chất môi giới sử dụng dạng khí dễ dàng dãn nở hay nén ép, thể tích thay đổi lớn b) Các thông số trạng thái: Trạng thái chất môi giới hay hệ tập hợp đại lượng xác đònh tính chất vật lí chất môi giới hay hệ Các đại lượng gọi thông số trạng thái Ở trạng thái xác đònh thông số trạng thái có giá trò xác đònh Trong nhiệt động lực học thường lấy nhiệt độ, áp suất thể tích riêng làm thông số trạng thái đo cách dễ dàng - Nhiệt độ: Là đại lượng vật lí xác đònh mức nóng lạnh vật, xác đònh hướng truyền nhiệt tự nhiên Nhiệt lượng truyền cách tự phát từ vùng có nhiệt độ cao tới vùng có nhiệt độ thấp Theo thuyết động học phân tử nhiệt độ chất khí đại lượng thống kê, tỉ lệ thuận với động trung bình chuyển động tònh tiến phân tử: m k.T (1-1) Trong đó: k - số Bônzman; k=1,3805.10-23 J/độ T - nhiệt độ tuyệt đối m - khối lượng phân tử ω - vận tốc tònh tiến trung bình phân tử Như vậy, vận tốc tònh tiến trung bình phân tử lớn nhiệt độ vật cao Hiện người ta thường sử dụng hai thang đo nhiệt độ sau: + Thang nhiệt độ bách phân, nhiệt độ kí hiệu chữ t, đơn vò đo độ Cenziut (oC) + Thang nhiệt độ tuyệt đối, nhiệt độ kí hiệu chữ T, đơn vò đo độ Kenvin (oK) Mối quan hệ hai thang đo nhiệt độ biểu diễn công thức: ToK = toC + 273,15 (1-2) -Áp suất: Là lực tác dụng lên đơn vò diện tích theo phương vuông góc với phương lực Theo thuyết động học phân tử áp suất đại lượng thống kê trung bình, tỉ lệ với động trung bình chuyển động tònh tiến phân tửù: p .n m. (1-3) Trong đó: n - số lượng phân tử khí đơn vò thể tích α - hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào kích thước thân phân tử lực tác dụng tương hỗ phân tử Áp suất nhỏ, nhiệt độ cao α tiến gần tới Khí lí tưởng có α = Áp suất không khí trời gây nên gọi áp suất khí quyển, kí hiệu pk đo barômet Nếu áp suất tuyệt đối p chất khí bình lớn áp suất khí pk hiệu số chúng gọi áp suất dư pd, đo manômet: pd = p - pk (1-4) Nếu áp suất tuyệt đối bình nhỏ áp suất khí quyển, tức p < pk hiệu số chúng (pk–p) gọi độ chân không, kí hiệu pck đo chân không kế pck = pk – p (1-5) Cần lưu ý rằng, có áp suất tuyệt đối p thông số trạng thái Trong tính toán kó thuật lấy gần pk=1at hay 1bar Đơn vò đo áp suất thường dùng công thức nhiệt động lực học Pascal, kí hiệu Pa (1Pa=1N/m2), bội số thường dùng bar (1bar=105Pa) Khi đo áp suất chiều cao cột thuỷ ngân cần phải quy điều kiện 0C thay đổi thể tích thủy ngân theo nhiệt độ lớn Công thức tính chiều cao cột thuỷ ngân 00C sau: h0=h(1-0,000172t) (1-6) Trong đó: h - chiều cao cột thuỷ ngân đo nhiệt độ toC t - nhiệt độ cột thuỷ ngân (oC) h0 - chiều cao cột thuỷ ngân quy 00C - Thể tích riêng khối lượng riêng: Một lượng vật chất có khối lượng Gkg thể tích Vm3 thể tích riêng bằng: v V , m3/kg G (1-7) khối lượng riêng hay mật độ khối nó: G , kg/m V v (1-8) Nhö vậy, thể tích riêng thể tích đơn vò khối lượng, khối lượng riêng khối lượng đơn vò thể tích 1.2 Phương trình trạng thái chất khí: Phương trình nêu lên mối liên hệ thông số p, v, T trạng thái thăng hệ gọi phương trình trạng thái, có dạng: f(p, v, T)=0 Theo phương trình này, biết hai thông số trạng thái độc lập ta xác đònh thông số thứ ba: p=f1(v, T); v=f2(p, T); T=f3(p, v) Để tiện cho việc nghiên cứu, ta đưa khái niệm khí lí tưởng khí thực 1.2.1 Khái niệm khí lí tưởng khí thực: Khí lí tưởng khí không kể đến lực tương tác phân tử kích thước thân phân tử Ngược lại, khí thực khí mà phân tử có lực tác dụng tương hỗ tích thân phân tử (khác không) Như vậy, thực tế có khí lí tưởng, xem khí lí tưởng trạng thái giới hạn khí thực áp suất p Nếu khí thực có áp suất thấp nhiệt độ cao lúc tính toán xem khí lí tưởng Trong tính toán kó thuật với điều kiện nhiệt độ áp suất bình thường, coi chất khí hydrô, ôxy, nitơ, cac-bonic, không khí, … khí lí tưởng Sử dụng khái niệm khí lí tưởng cho phép ta thành lập biểu thức toán học đặc trưng cho trạng thái chất khí cách đơn giản không cần xét đến lực tác dụng tương hỗ phân tử thể tích thân phân tử Trên sở quy luật khí lí tưởng đến thành lập lí thuyết trình nhiệt động cách thuận tiện chặt chẽ 1.2.2 Phương trình trạng thái khí lí tưởng: Từ hai phương trìnnh (1-1) (1-3), với α=1 ta rút được: p n.k.T (1-9) Số phân tử khí đơn vò thể tích n tính : n N N V V (1-9’) Trong đó: N - số phân tử thể tích không khí V(m3) Nµ - số phân tử kilômol (kmol) khí Vµ - thể tích kmol khí, m3/kmol Một kilômol khí khối khí có khối lượng tính kg, có trò số phân tử lượng chất khí Ví dụ ô xy có phân tử lượng 32 kmol có khối lượng 32 kg Từ (1-9) (1-9’) ta có: N (1-10) p k.T V hay: p.V N k.T Theo Avôgrô kmol khí có số lượng phân tử Nµ=6,0228.1026 Giá trò Nµ.k không thay đổi với chất khí kí hiệu Rµ: 10 Rµ=6,0228.1026.1,3805.10-23=8314J/kmol.độ Nên ta gọi số phổ biến chất khí Vậy (1-10) viết thành: p.V R T (1-10’) Ở điều kiện tiêu chuẩn: p=101300Pa, t=0oC, áp dụng (1-10’) ta xác đònh thể tích kmol khí Vµ=22,4m3/kmol Nếu chia vế phương trình (1-10’) cho trò số khối lượng kmol chất khí cụ thể ta được: p hay: V R T pv=RT Đây phương trình trạng thái 1kg khí lí tưởng biết Trong đó: v - Thể tích riêng chất khí (m3/kg) R R (1-11) 8314 (J/kg.độ), gọi số chất khí, chất khí R có giá trò riêng phụ thuộc vào µ µ - khối lượng 1kmol khí, kg/kmol T - nhiệt độ tuyệt đối, 00K p - áp suất tuyệt đối, pa Từ (1-11) ta suy phương trình trạng thái cho G kg khí lí tưởng: p.v.G=G.R.T hay: p.V=G.R.T (1-12) V(m ) thể tích G kg khí Các phương trình (1-10’), (1-11), (1-12) phương trình trạng thái khí lí tưởng hay gọi phương trình Clapêrôn 1.2.3 Phương trình trạng thái khí thực: Do có khác biệt khí lí tưởng khí thực nên áp dụng phương trình Clapêrôn cho khí thực gặp sai số lớn Vì vậy, khí thực phải dùng phương trình trạng thái khác Năm 1871, Van-đéc-van thành lập phương trình trạng thái cho khí thực dựa phương trình trạng thái khí lí tưởng Những điểm khác biệt khí thực khí lí tưởng Van-đéc-van tính đến cách đưa thêm vào đại lượng hiệu chỉnh Phương trình Van-đéc-van viết cho kg khí thực có dạng: a p v b R.T v Trong đó: 11 (1-13) b - đại lượng hiệu chỉnh kể đến ảnh hưởng thể tích thân phân tử a - đại lượng hiệu chỉnh kể đến ảnh hưởng lực tương tác phân tử 1.3 Hỗn hợp khí lí tưởng: 1.3.1 Các tính chất hỗn hợp khí: Trong kó thuật thường dùng hỗn hợp học nhiều chất khí, có tính chất sau: - Các khí thành phần hỗn hợp khí lí tưởng phản ứng hoá học với - Thể tích chất khí thành phần hỗn hợp thể tích hỗn hợp khí V1 = V2 = V = … = V h (1-14) - Hỗn hợp khí lí tưởng tuân theo đònh luật Đan-tông Đònh luật phát biểu sau: Áp suất hỗn hợp khí tổng áp suất riêng chất khí thành phần tạo nên hỗn hợp ph p1 p2 n p n pi (1-15) i 1 - Nhiệt độ chất khí trạng thái ổn đònh nhiệt độ hỗn hợp khí: T1 = T2 = … = Th (1-16) - Mỗi chất khí thành phần hỗn hợp khí tuân theo phương trình trạng thái khí lí tưởng: p1V1 = G1R1T1 p1Vh = G1R1Th ……………………………………………………………… (1-17) pnVn = GnRnTn pnVh = GnRnTh phVh=GhRhTh Trong R1, R2, … Rh, … Rh số chất khí chất khí thành phần hỗn hợp Còn Gh khối lượng hỗn hợp, tổng khối lượng chất khí thành phần: G h G1 G n G n Gi (1-18) i 1 - Neáu ta tách chất khí thành phần thứ i khỏi hỗn hợp, với điều kiện áp suất nhiệt độ khí thành phần áp suất nhiệt độ hỗn hợp khí, lúc chất khí thứ i chiếm thể tích V’i ta gọi V’i phân thể tích Phương trình trạng thái chất khí i lúc có dạng: 12 Khi hồi nhiệt lí tưởng T4 = T5, T6 = T2 Trong thực tế không khí nén hâm nóng đến T’5 < T4 nhiệt độ khí thải trước T’6 < T2 (hình 7.9) p T q1 q1 v q2 s Hình 7.9: Đồ thò chu trình Tua-bin khí cấp nhiệt đẳng áp có hồi nhiệt T T Tỉ số gọi mức độ hồi nhiệt T4 T6 1-2: trình nén đoạn nhiệt không khí máy nén 2-5: trình cấp nhiệt đẳng áp phận hồi nhiệt 5-3: trình cấp nhiệt đẳng áp buồng đốt 3-4: trình giãn nở đoạn nhiệt chất môi giới tua-bin khí 4-6: trình chuyển nhiệt đẳng áp từ khí thải vào buồng hồi nhiệt 6-1: trình thải nhiệt đẳng áp cho môi trường Hiệu suất nhiệt chu trình: t 1 q2 q1 q1 gồm có nhiệt cháy buồng đốt hồi nhiệt, lượng nhiệt lớn trường hợp không hồi nhiệt q2 nhiệt thải ngoài, lượng nhiệt nhỏ trường hợp không hồi nhiệt Vì vậy: t HN > t 7.5.2 Chu trình thiết bò tua-bin khí cấp nhiệt đẳng tích: a) Trường hợp không hồi nhiệt (hình 7.10): 1-2: nén đoạn nhiệt máy nén 2-3: cấp nhiệt đẳng tích buồng đốt 3-4: giãn nở đoạn nhiệt ống phun cánh tua-bin 4-1: thải nhiệt đẳng áp môi trường Khác với chu trình tua-bin cấp nhiệt đẳng áp cấu tạo buồng đốt: buồng đốt có thêm van nhiên liệu 2, van không khí van ống phun để đưa 82 sản phẩm cháy vào tua3 bin Máy nén lắp trục tua-bin dùng để nén không khí Bơm dùng để bơm nhiên liệu lỏng hay khí qua van vào buồng đốt Khi van 2, 3, đóng, bu-gi đánh lửa, hỗn hợp cháy điều kiện đẳng tích Trên đồ Hình 7.10: Chu trình Tua-bin khí cấp nhiệt đẳng tích thò, trình cháy không hồi nhiệt biểu diễn đoạn 2-3 (hình 7.11) Sau nhiên liệu cháy hết van mở ra, sản phẩm cháy qua ống phun đập vào cánh tua-bin, sau sản phẩm cháy thải qua ống Các đại lượng: Tỉ số tăng áp trình nén: p2 p1 p3 p2 v1 v2 Tỉ số tăng áp trình cháy: Tỉ số nén: Hiệu suất nhiệt chu trình: T 1 q2 q1 q1 c v T3 T2 q2 cp T4 T1 k.cv T4 T1 T p Quá trình 1-2: dq = T2 T1. p1 k T4 T1 T3 T2 k 1 k T1 k 1 k 1 k Quá trình 2-3: v = const T3 T2 T1. k 83 (7-1) p Quá trình 3-4: dq = T4 T3 p3 k 1 k p T3 .p k 1 k T1 k Thay caùc trò số T2, T3, T4 vào (7-1) ta có: k. k 1 T k1 k 1 Nếu biểu thò tỉ số tăng áp qua tỉ số nén ta coù: k v p k p1 v k. k 1 T k1 1 Do ñoù: p T q1 q1 dq = dq = dq = q2 dq = v q2 s Hình 7.11: Đồ thò chu trình tua-bin khí cấp nhiệt đẳng tích không hồi nhiệt b) Trường hợp có hồi nhiệt (hình 7.12): 1-2: trình nén đoạn nhiệt máy nén 2-3: không khí nhận nhiệt đẳng áp khí thải buồng hồi nhiệt 3-4: cấp nhiệt đẳng tích buồng đốt 4-5: giãn nở đoạn nhiệt ống phun tuabin 5-6: chuyển nhiệt đẳng áp cho không khí buồng hồi nhiệt 6-1: thải nhiệt đẳng áp cho môi trường Các đại lượng chu trình: Tỉ số tăng áp trình nén: 84 p2 p1 Tỉ số tăng áp trình cháy: Đặt p4 p3 T3 T trường hợp hồi nhiệt hoàn toàn T5 = T3, T2 T2 p T q1 q1 4 3 q2 6 v q2 s Hình 7.12: Đồ thò chu trình tua-bin khí cấp nhiệt đẳng tích có hồi nhiệt Hiệu suất nhiệt chu trình: T ,HN q2 q1 q1 c v T4 T3 q2 cp T6 T1 cp (T5 T4 ) (T5 T6 Chứng minh tương tự ta có: T,HN k . k 1 k k 1 k k 1 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG VII Câu hỏi: Nêu đặc điểm khác ba loại động đốt kiểu pít-tông bốn cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp, hỗn hợp Nêu đặc điểm nguyên lí làm việc tua-bin khí So sánh tua-bin khí với động đốt kiểu pit-tông Bài tập: 85 Động đốt làm việc theo chu trình lí tưởng với cháy đẳng (hình 7.13) Thể tích công tác Vh=0,006m3, nhiệt độ vào t1=20o C, áp suất vào p1=1bar Thể tích thừa lớn Vt=V2=0,001m3 Áp suất lớn chu trình p3=25bar Hãy tính: a Những thông số trạng thái điểm đặc trưng b Lượng nhiệt mà chất môi giới nhận thải (coi nhiệt dung riêng số) c Công chu trình d Hiệu suất nhiệt chu trình p T 3 Q1 v = v3 qo Lo vh vt v1 Q2 1 Lo= Q1 - Q2 v = v4 p1 v s Hình 7.13: Chu trình lí tưởng động đốt với cháy đẳng tích ĐS: V1=0,007m3; p2=15,24bar; G=0,00832kg; t2=367oC; t3=777oC; t4=208oC; p4=1,64bar; Q1=2,46kJ; Q2=-1,13kJ; L0=1,33kJ; T=54% Chu trình líù tưởng động đốt với cháy đẳng tích có p1=1bar; t1=20oC, tỉû số nén =3,6; tỉ số tăng áp suất =3,33 a Xác đònh thông số trạng thái điểm đặc biệt chu trình b Tính lượng nhiệt chất môi giới thu vào nhả c Tính công hiệu suất nhiệt chu trình Nếu lượng chất môi giới 1kg không khí, nhiệt dung riêng coi số ĐS: v1=v4=0,84m3/kg; v2=v3=0,233m3/kg; t2=216oC; t3=1357oC ; t4=704oC; p2=6,01bar; p3=20bar; p4=3,33bar; q1=822kJ/kg; q2=-493kJ/kg l0=329kJ/kg; T=40% Chu trình động đốt với cấp nhiệt đẳng áp biểu diễn hình 7.14 Hãy xác đònh: a Các thông số trạng thái điểm đặc trưng b Lượng chất môi giới nhận nhả 86 c Công hiệu suất nhiệt chu trình Nếu cho trước p1=1bar; t=20oC; =2,7; =2; k=1,4 Chất môi giới 1kg không khí, nhiệt dung riêng coi số ĐS: q1 p v1=0,84m3/kg; v2=0,066m3/kg; 3 q=0 v3=0,132m /kg; v4=0,84m3/kg; 4q q=0 t2=537oC; t3=1347oC; v o t4=494 C; Hình 7.14: Chu trình động đốt cấp p2=p3= 35,2bar nhiệt đẳng áp p4=2,62bar; q1=818kJ/kg; q2 =-341kJ/kg; l0=477kJ/kg; T=0,584 Chu trình động đốt với trình cấp nhiệt hỗn hợp hình 7.15 Cho biết thông số: p1=1bar; t1=30oC; =7; =1,2; =2 Hãy xác đònh: a Các thông số trạng thái p q1” điểm đặc biệt b Lượng nhiệt cấp thải chu q=0 trình q1’ c Công hiệu suất nhiệt chu trình q=0 q2 ĐS: v v1=0,87m3/kg; Hình 7.15: Chu trình động đốt v2=0,124m3/kg; cấp nhiệt hỗn hợp v4=0,149m3/kg; p2=15,2bar; t2=387oC; t5=511oC; l0=396kJ/kg; o p3=30,5bar; t3=1047 C; q1=744,2kJ/kg; T=53,2% p5=2,6bar; t4=1311oC; q2=-378,2kJ/kg; 87 Chương CÁC CHU TRÌNH TIÊU HAO CÔNG 8.1 Máy nén khí: Máy nén khí dùng rộng rãi sản xuất đời sống, thường có hai loại máy nén khí: - Máy nén khí kiểu pit-tông rô-to - Máy nén khí kiểu li tâm Về chất nhiệt động chúng giống nhau, chu trình tiêu hao công 8.1.1 Máy nén khí kiểu pit-tông cấp: a) Các trình: p -Pit-tông dòch chuyển từ trái qua phải, khí nạp vào xi-lanh qua van nạp với áp suất không đổi (đường – 1) Trạng thái chất khí không đổi v -Pit-tông dòch chuyển từ phải qua trái, van nạp đóng lại, khí bò nén đến áp suất cần thiết theo đường 1-2 Tại Hình 8.1: Sơ đồ máy nén khí kiểu pit-tông cấp điểm van mở ra, khí nạp vào bình chứa theo đường 2-3 Trạng thái chất khí không đổi Quá trình nạp thải khí máy nén khí giống động đốt trong, trình nhiệt động b) Tính công tiêu hao: p Quy ước công tiêu hao lấy giá trò dương, công chất khí sinh lấy giá trò âm 2’ 2” p2 l v.dp p1 Nếu trình nén đẳng nhiệt (tức làm mát triệt để) công tiêu hao diện tích 4123 p RT dp l RT v p p p1 v Hình 8.2: Đồ thò biểu diễn trình tiêu hao công 88 l RT ln p2 p p = p1 v1 ln = p v ln , j/kg p1 p1 p1 Nếu trình nén đoạn nhiệt công tiêu hao diện tích 412”3 l k p v p1v1 k 1 k 1 k p k l p1v1 1 , J/kg p1 k 1 k 1 k p k l RT1 1 , J/kg p1 k 1 Nếu trình nén đa biến công tiêu hao diện tích 412’3 l n p v p1v1 n 1 n 1 n p n l p1 v1 1 , J/kg p1 n 1 n 1 n p n l RT1 1 , J/kg p1 n 1 Công tiêu hao trình nén đẳng nhiệt nhỏ nhất, máy nén khí hoạt động nên làm nguội nhiều tốt 2gh 3” c) Ảnh hưởng không gian có hại đến sản lượng máy nén khí: Trong thực tế đỉnh pit-tông áp sát nắp xi-lanh được, khoảng không gian đỉnh pittông nắp xi-lanh khoảng cách chúng nhỏ gọi không gian có hại Vo Vì tồn Vo nên đẩy toàn khí 3’ 2’ ” 4’ 4” V1 – V4” Vo V1 V1 – V4’ Hình 8.3: Đồ thò biểu diễn ảnh hưởng không gian có hại đến sản lượng máy nén khí 89 nén vào bình chứa Quá trình đẩy khí thực đến điểm 3’ Khi pit-tông dòch chuyển sang phải để nạp khí lần sau, khí sót lại Vo xi-lanh giãn nở theo đường 3’4’, lượng khí nạp vào xi-lanh V1 – V4’, lượng khí lí thuyết V1 p suất cuối trình nén cao lượng khí nạp vào xi-lanh giảm: V1 – V4 < V1 – V4’, sản lượng máy nén khí giảm Nếu áp suất cuối trình nén áp suất tới hạn p2gh sản lượng máy nén khí không Dó dùng máy nén cấp để nén khí đến áp suất cao lợi, thường nén 10 đến 12 bar 8.1.2 Máy nén khí kiểu pit-tông nhiều cấp: p1, T1 Nén cấp p2, T2 Làm mát p2, T1 Nén cấp p3, T2 Hình 8.4: Sơ đồ máy nén khí kiểu pit-tông nhiều cấp Khí nạp vào xilanh cấp có thông số ban đầu p 1, T1 Sau nén cấp đến p2, T2, người ta cho khí nén qua bình làm mát trung gian để nhiệt độ giảm xuống T1 (vẫn giữ p2) Từ bình làm mát trung gian khí nén vào xi-lanh cấp với thông số p2, T1 nén đến p3, T2 Trên đồ thò hình 8.5, trình đẩy khí vào bình làm mát đoạn - 5, - 2’ trình nạp khí vào xi-lanh cấp (điểm 2’ nằm đường đẳng nhiệt T1 = const) 2’- trình nén khí xi-lanh cấp 2, điểm nằm đường đẳng nhiệt T2 = const Nếu không làm mát trung gian mà dùng cấp để nén khí đến p trình nén – – Nén nhiều cấp có lợi: - Giảm công tiêu hao nhờ làm mát trung gian (bằng diện tích 22’36) 90 - Giảm bớt ảnh hưởng không gian có hại - Giảm nhiệt độ khí cuối trình nén Khi tính toán máy nén nhiều cấp cần phải chọn áp suất trung gian cho công tiêu hao Muốn tỉ số tăng áp phải Nếu máy nén có cấp thì: i pc pd Trong đó: pc – áp suất cuối pđ – áp suất đầu l nn1 i.n RT1 1 n 1 Ví dụ: Nén cấp từ p1 = 1at đến p4 = 125at tỉ số tăng áp là: 3 125 5 Vậy cấp là: p2 = 5at, p3 = 25at, p4 = 125at p T1 = const T2 = const 2’ v Hình 8.5: Đồ thò biểu diễn trình máy nén khí kiểu pit-tông nhiều cấp 8.2 Máy lạnh: 8.2.1 Khái niệm: Trong thực tế sản xuất đời sống, có nhiều trường hợp yêu cầu làm lạnh trì nhiệt độ vật nhiệt độ thấp nhiệt độ môi trường xung quanh Ví dụ làm nước đá, ướp lạnh Muốn làm lạnh vật cần làm lạnh phải thải nhiệt môi trường xung quanh có nhiệt độ cao Quá trình tự tiến hành mà cần phải tiêu hao lượng bên Để đánh giá 91 mức độ hoàn thiện chu trình thiết bò làm lạnh, ta dùng hệ số làm lạnh q q2 t l q1 q Trong đó: q2 – nhiệt lượng chất môi giới nhận từ nguồn lạnh (vật cần làm lạnh) q1 – nhiệt lượng chất môi giới nhả cho nguồn nóng (môi trường xung quanh) l - công tiêu hao để thực chu trình Một đại lượng thường sử dụng cho thiết bò làm lạnh suất làm lạnh Q Năng suất làm lạnh nhiệt lượng lấy khỏi vật cần làm lạnh đơn vò thời gian Đơn vò đo kJ/giờ hay kcal/giờ Dựa vào chất môi giới làm lạnh ta chia nhóm thiết bò làm lạnh sau: Chu trình thiết bò làm lạnh không khí Chu trình thiết bò làm lạnh 8.2.2 Chu trình thiết bò làm lạnh không khí: a) Sơ đồ nguyên (hình 8.6): Không khí từ buồng lạnh có áp suất p = 1at nhiệt độ t = -200C đưa vào máy nén nén đến áp suất p = 3,5at nhiệt độ t = 900C Công tiêu hao máy nén lmn = dt (12ba).Ra khỏi máy nén không khí đưa vào bình làm mát Ở không khí truyền cho nước làm mát nhiệt lượng q 1, nhiệt độ giảm xuống 300C giữ áp suất p = 3,5at Sau không khí vào xi-lanh giãn nở đến áp suất khí p = 1at, nhiệt độ giảm đến -600C Khi dãn nở không khí sinh công lx = dt (34ab) bù lại phần công nén khí Ra khỏi xi-lanh giãn nở, không khí vào buồng làm lạnh Ở không khí lấy nhiệt lượng q2 từ vật làm lạnh Khi khỏi buồng lạnh, không khí nóng lên có áp suất p=1at nhiệt độ -200C hút trở lại máy nén, chu trình lại lặp lại 90o C; 3,5at 30o C; 3,5at Bình làm mát Xi-lanh dãn nở -60o C; 1at Máy nén Buồng lạïnh -20o C; 1at Hình 8.6: Sơ đồ máy lạnh dùng không khí làm chất môi giới 92 Nhược điểm máy lạnh dùng không khí làm chất môi giới sản phẩm làm lạnh (là lượng nhiệt không khí lấy từ buồng lạnh đơn vò thời gian) không khí nhỏ b) Chu trình lí thuyết: Chu trình líù thuyết thiết bò làm lạnh không khí biểu diễn hình 8.7 bao gồm trình sau: p T q1 b v q1 q2 c s a v q2 v d Hình 8.7: Chu trình lí thuyết thiết bò làm lạnh không khí 1-2: trình nén đoạn nhiệt máy nén 2-3: trình làm nguội đẳng áp bình làm nguội 3-4: trình giãn nở đoạn nhiệt xi-lanh dãn nở 4-1: trình nhận nhiệt đẳng áp không khí (nhận từ vật lạnh nhiệt lượng q1) buồng lạnh Trên đồ thò p – v diện tích (a12b) biểu diễn công tiêu thụ máy nén không khí; diện tích (b34a) biểu diễn công hữu ích sinh xi-lanh giãn nở Vậy công tiêu thụ thiết bò làm lạnh hiệu số công máy nén với công hữu ích trình dãn nở, biểu diễn diện tích (1234) l=lmn–lx=dt(1234) Lượng nhiệt q2 không khí nhận từ nguồn lạnh (vật cần làm lạnh) biểu diễn diện tích (41dc) đồ thò T-s, nhiệt lượng q1 không khí thải nước làm mát biểu diễn diện tích (23cd) Vậy l q1 q = diện tích hình (1234) 8.2.3 Chu trình thiết bò làm lạnh hơi: Chu trình loại sử dụng rộng rãi thực tế Chất môi giới sử dụng chu trình chất mà áp suất bình thường sôi nhiệt độ thấp: khí cacbônic (CO2), amôniac (NH3) 93 a) Sơ đồ nguyên lí chu trình thiết bò làm lạnh hơi: Trong trình bốc người ta dùng đại lượng độ khô x: x kg kghơi kglỏng x = lỏng hoàn toàn ; x = hoàn toàn;