Giáo trình nhiệt động kỹ thuật

🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình nhiệt động kỹ thuật Ebooks Nhóm Zalo Ì [ í tí t É T U'wLi ^ A N GIAO LÊ NGUYÊN MINH GIA O TRÌN H NHIỆ T Đ Ộ N G K Ỹ THUẬ T • • • Dùng cho cá c trường Đại học khối Kỹ thuật Công trình (Tái bản lần thứ nhất) DẠỊHỌCĨHÃ1 NGUYỀN TRWG TẨM HỌC LIÊU NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DấC Công ty cổ phần sách Đại học - Dạy nghề - Nhà xuất bản Giáo dục giữ quyển công bó tác phẩm. Mọi tổ chức, cá nhân muôn sử dụng tác phẩm dưới mọi hình thức phải được sự dóng ý của chủ sở hữu quyên t 04-2009/CXB/525-2117/GD Mãsố:7K781y9-DAI MấC LấC Trang Lòi nói dấu 9 Chương 1 NHỮNG KHÁI NIỆM cơ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT 11 1.1. Nhũng khái niệm cơ bản 12 1.1.1. Hệ thống đơn vị quốc lé SI (System International) 12 1.1.2. Hệ nhiệt động, chất môi giới và nguồn nhiệt 12 1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy nhiệt 15 1.2. Thông sậ trạng thái của chất mõi giới 17 1.2.1. Nhiệt độ 17 1.2.2. Dãn nở nhiệt 19 1.2.3. Thể tích riêng 21 1.2.4. Áp suất 22 1.3. Nhiệt 25 1.3.1. Nhiệt lượng 25 1.3.2. Nhiệt dung riêng và cách tinh nhiệt lượng 25 1.4. Công 28 1.4.1. Cõng thay đổi thể tích 28 1.4.2. Cõng kỹ thuật 29 1.5 Hàm trạng thái của khi lý tưởng 30 1.5.1. Nội năng 30 1.5.2. Năng lượng đẩy 30 1.5.3. Entanpi 31 1.5.4. Entropi 31 1.6. Định luật nhiệt động 1 32 1.6.1. Năng lượng toàn phần cùa hệ nhiệt động 32 1.6.2. Phương trình của định luật 1 cho hệ kín 32 1.6.3. Phương trinh định luật 1 cho hệ hở 33 1.6.4. ứng dụng định luật 1 34 1.6.5. Hiệu suất nhiệt 34 Chương 2 QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ VÀ HOI 35 2.1. Khi lý tuông 35 2.2. Nhiệt dung riêng, nội năng và entanpi 35 2.3. Phương trình trạng thái của khi lý tướng 35 2.4. Các quá Ưinh nhiệt dộng cơ bán của khi lý tuông 37 2.4.1. • Quá trinh đa biến 37 2.4.2. Các trưởng hợp riêng của quá trình đa biến. 40 2.4.3. Biểu diễn các quá trình nhiệt động cơ bản trẽn đồ thị p -V 41 2.5. Quá trinh nén khi và hơi 44 2.5.1. Khái niệm về máy nén khi 44 2.5.2. Phân loại máy nén 44 3 2 6 Máy nén Piston một cấp lý tướng 48 2 6 1 Các quá trinh trong máy nén Piston một cấp lý tưởng 48 2 6 2 Cống liêu lổn trong máy nén Piston một cấp lý tường 50 2 7 Máy nén Piston một cấp thục 50 2.7.1. Ảnh hường của thể tích thừa 50 2 7 2 Cõng cùa máy nén Piston một cáp thực 51 2.7.3, Nhiệt trong quá trinh nén 51 2.8 Máy nén Piston nhiêu cáp 52 2 8 1. Các quá trinh trong máy nén Piston hai cáp lý tưỏng 53 2.8.2. Tỳ số nén cùa các cấp 53 2 8.3 Cõng cùa máy nén nhiều cấp 54 2 8 4 Nhiệt toa ra trong các cấp nén và trong quá trinh làm mát trung gian 54 2.9. Quá trinh lưu động cùa khi và hoi 54 2.9.1. MỘI số khái niệm và công thức cơ bàn 54 2 9.2. Tốc độ âm thanh 55 2.9.3. Quan hệ giữa tốc độ và áp suất của dòng 55 2.9.4. Quan hệ giữa tốc độ và hình dạng ổng 56 2.9.5. Xác định tốc độ của dòng khi tại cửa ra của óng tăng lốc 57 2.9.6. Ống lăng lốc trong kỹ thuật thõng gió 58 2 10 Quá trinh tiết lưu 58 2.10.1. Đặc điểm cùa quá trình tiết lưu 58 2.10.2. Hiệu ứng Jun - Tomson (Joule - Thomson) 60 2.10.3. Quá trinh tiết lưu của chất lòng ả nhiệt độ bão hoa 61 Chương 3 CHU TRÌNH CỦA CHẤT KHÍ 63 3.1. Khái niệm co bản 63 3.1.1. Chu trình nhiệt động 63 3.1.2. Chiều của chu trinh 63 3.1.3. Công của chu trinh 64 3.1.4. Hiệu suất nhiệt 66 3.1.5. Chì số hiệu quả làm lạnh và chỉ sỏ hiệu quà bơm nhiệt 66 3.2. Chu trình Carnot 68 3.3. Định luật nhiệt dộng thứ hai 69 3.3.1. Hàm trạng thái Entropi 69 3.3.2. Biểu thức giải tích cùa định luật nhiệt động thử hai 70 3.3.3. Biến đổi Enlropi trong quá trinh thuận nghịch và không thuận nghịch 70 3.3.4. Biến đổi Entropi trong quá trinh đoạn nhiệt 71 3.3.5. Đồ thị T - s 72 3.3.6. Đổ thị i - s 72 3.4. Cho trình động cơ nhiệt 73 3.4.1. Sơ lược lịch sử phát triển động cơ đốt trong 73 3.4.2. Phân loại động cơ đốt trong 74 3.4.3. Chu trinh động cơ đốt trong cấp nhiệt đảng tích • 76 3.4.4. Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đảng áp 78 A 3.4.5. Chu trinh động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp - Seiliger 80 3 4 6 So sánh hiệu suất cùa các chu trinh động cơ đói trong 8 2 3.5. Chu trinh tuabin khi cấp nhiệt dắng áp 8 3 3.5.1. Sơ đố nguyên lý 8 3 3.5 2 ưu điểm so với động cơ dốt trong 84 3.5.3. Hiệu suất chu trinh tuabin khi cấp nhiệt đảng áp 85 3.6 Chu trinh tuabin khí Cấp nhiệt dắng áp CÓ hói nhiệt 86 3.7. Hệ thõng tuabin khi và máy lạnh hấp thụ 87 Chương 4 CHU TRÌNH THUẬN CHIỂU CỦA KHÍ THỰC 89 4.1. Sự thay đậi trạng thái và chuyến pha của dơn chít 89 4.1.1. Đồ thị pha 89 4.1.2. Sự thăng hoa - ngùng két, nóng chày - đông đặc và hoa hơi - ngưng tụ 92 4.2 Quá trinh hoá hai dẳng áp cùa các chất lóng 92 4.2.1. Quá trinh hoa hơi đảng áp 92 4.2.2. Quá trinh hoa hơi đảng áp cùa nước 93 4.3 Phương trình trạng thái của khí thụt 95 4.4 Báng sỏ và đồ thị của hoi nước 96 4.4.1. Bảng hơi nước 96 4 4.2. Đồ thị hơi nưóc 98 4.5. Chu trinh thiết bị đọng lục hơi nước 100 4.5.1. Chu trinh Rankine 101 4.5.2. Những nhân tố ảnh hưâng tới hiệu suất nhiệt của chu trinh Rankine 102 Chương 5 CHU TRÌNH THIẾT BỊ LÀM LẠNH 106 5.1. Mõi chất lạnh (MO.) 106 5.1.1. Các đặc tinh cơ bàn cùa MCL 106 5.1.2. Phân loại 107 5.1.3. Một số MCL hữu cơ và hạn định sử dụng 108 5.1.4. MCLvôcơ 111 5.1.5. Hạn định sử dụng và thay thế các MCL quan trọng 111 5.2. Đô thị Igp - ì cùa MCL 113 5.2.1. MCL đơn chất và hỗn hợp MCL đóng sõi 113 5 2 2 Hỗn hợp MCL không đổng sôi 114 5.3. Bang MO- 115 5.3.1. Bàng MCL đơn chất và MCL đổng sôi 115 5.3.2. Bảng hỗn hợp MCL không đồng sôi 115 5 4. Chu trinh máy lạnh kiểu máy nén 116 5.4.1. Chu trinh máy lạnh kiểu máy nén hơi một cấp 116 5.4.2. Chỉ số hiệu quà năng lượng thực cùa máy lạnh 119 5.4.3. Chu trinh máy lạnh kiểu máy nén ly tâm 2 cấp 121 5.5. Chu trinh bom nhiệt 123 5.5.1. Sơ đổ nguyên lý bơm nhiệt 123 5.5.2. Sơ đồ kỹ thuật máy lạnh - bơm nhiệt 123 5.5.3. Các nhãn tô ảnh hưởng đến chi sò hiệu quà năng lượng cùa bơm nhiệt 124 5 I s 6 Chu trinh máy lạnh hấp thụ " .. , 126 5 6 1 Chát làm lạnh 5 6 2 Sơ đổ nguyên lý máy lạnh hấp thụ 12 7 56 3 Hệ số làm lạnh lý thuyết1 2 8 - i 129 Chương 6 KHÔNG KHÍ AM , J -ị 29 6 1 Khái niệm không khi am . . . ĩ loa 6 1 1 Thành phần của không khi am 6 1 2 Thông số trạng thái cùa không khí ẩm 131 6 2. Phản loại không khi ấm 13 2 6 3 Các thòng sậ trạng thái của không khi ám 134 6.3.1. Độ ẩm tuyệt đối 13 4 6.3.2. Độ ẩm tương đối cp 13 5 6.3.3. Độ chứa hơi (dung ẩm) d 13 5 6.3.4. Khối lượng riêng của không khi ẩm 135 6.3.5. Entanpi (Nhiệt hàm) 13 6 6.4. Đó thị của không khí ấm 13 7 641. Đồthịl-dcủakhôngkhíẩm 13 7 6.4.2. Các thông số nhiệt - ẩm khác trên đổ thị I - d 139 6.4.3. Đổ thị t — d của không khi ầm 140 6.5. Quá trình hoa trộn không khi 141 6.6. Quá trình sấy nóng và làm lạnh không khi ẩm (d = const) 142 6.7. Quá trình làm lạnh tách ấm 142 6 8 Quá trinh làm lạnh tách ấm và sấy nóng không khi 143 6.9. Quá trình tăng ấm đoạn nhiệt 144 6.10 Quá trình tâng ấm đổng nhiệt 145 6.11. Quá trinh trao dậi nhiệt ấm da biên 146 6.12. Quá trình hút ẩm 14 7 6.12.1. Quá trình hút ẩm hấp thụ và làm mát 147 6.12.2. Quá trinh hút ẩm hấp phụ và làm lạnh 148 Chương 7 TIẾT KIỆM NÀNG LƯỢNG TRONG CÔNG TRÌNH .150 7.1. Mục tiêu tiết kiệm năng lượng 150 7.2. Phương pháp đánh giá hiệu quá sứ dụng năng lượng 151 7.2.1. Hiệu suất nhiệt 15 2 7.2.2. Chi sô hiệu quà năng lượng của thiết bị lạnh , 15 2 7.2.3. Hiệu suất execgi 15 3 7.3. Tiêu thụ nâng lượng trong công trinh 15 5 7.3.1. Phụ (ải lạnh của hệ thống diếu hoa không khí 15 5 7.3.2. Phụ tài nhiệt 15 6 7 4 Cung cấp Nhiệt - Lạnh cho hệ thậng ĐHKK 15 6 7.4.1. Thiết bị cung cấp lạnh cho hệ thống ĐHKK 7.4.2. Thiết bị cung cấp Nhiệt 15 9 7.5. Phương pháp đánh giá tiêu thụ điện cùa hệ thậng ĐHKK 16 3 7.5.1. Chỉ số hiệu quả nâng lượng cùa thiết bị lạnh 16 3 6 7.5.2. Chỉ số tiêu thụ điện non tải tích hợp năm của chiller 16 4 theo ARI 550/590 (USA) 7.5.3 Cõng thức xác định tiêu thụ điện của hệ thõng ĐHKK 165 7.5.4. Tiêu thụ điện cùa hệ thống ĐHKK sử dụng Chiller 166 7.5.5. Tiêu thụ điện của hệ thống ĐHKK sử dụng máy làm lạnh trực liếp 169 7.6. Giải pháp cung cấp năng lượng hợp lý 169 7.6.1. Cung cấp lạnh cho ĐHKK 169 7.6.2 Cung cáp Nhiệt - Lạnh đổng thời bằng máy lạnh thu hồi nhiệt 169 (Heat - Recovery - Chiller) 7.6.3. Cung cấp nhiệt 171 7.6.4 Cung cấp Nhiệt - Lạnh bằng chu trinh ghép Chiller - Bơm nhiệt 172 7.7 Dụ trữ lạnh bàng nhiệt ẩn chuyển pha 174 7.7 .1 Tiết kiệm chi phí vận hành hệ thống ĐHKK bằng giải pháp dự trữ lạnh 174 chuyển pha 7.7.2 Đặc tinh kỹ thuật của bình tích lạnh chuyển pha 176 7.7.3 Hiệu quà tiết kiệm chi phí vặn hành 176 PHấ LấC 178 A. Bảng đổi đan vị Phụ lục 1 : Đổi đơn vị hệ SI - hệ Anh / Mỹ 178 Phụ lục 2 : Đổi đơn vị áp suất 181 Phụ lục 3 : Đổi nhiệt độ °F<->°C 182 B. Báng thông sậ vật lý Phụ lục 4 : Thõng số vật lý của một số chất khí 184 (ờ điều kiện 0°c, p = 1,01325 bar) Phụ lục 5 : Thông số nhiệt động của một số chất 185 p= 1,01325 bar Phụ lục 6 : Thõng số nhiệt vặt lý cùa một số chất 185 p = 1,01325 bar Phụ lục 7: Hệ số dãn nỏ dài của vật rắn 186 Phụ lục 8: Hệ số dãn nở thể tích p của chất lỏng ờ áp suất 1 bar, nhiệt độ 20°c Phụ lục 9: Nhiệt dung riêng trung bình phụ thuộc vào nhiệt độ (trong khoảng 0°c 4- 1500°C) c. Bang quy chuẩn xây dụng việt nam - QCXDVN 9/2005 187 188 Phụ lục 10 : Máy diều hoa không khi và dàn ngưng (cụm nóng) 189 hoạt động bằng điện nàng Phụ lục 11 : Các đơn nguyên sản xuất nước lạnh - 190 các yêu cầu tối thiểu về hiệu suất D. Bảng chi sậ hiệu quả máy làm lạnh nước (chiller) - Hoa Kỳ Phụ lục 12 : Bảng quy chuẩn chỉ số hiệu quà máy làm lạnh nước (Chiller) 191 Phụ lục 13 : Bảng chỉ số hiệu quả máy làm lạnh nước (Chiller) của các nhà sản xuất Hoa Kỳ 192 Phụ lục 14 : Một số loại máy nén điển hình 194 7 E. Báng sậ và đá thị hơi nước Phụ lục 15 : Nước trên đường bão hoa (theo áp suất p) 195 Phụ lục 16: Nước trên đường bão hoa (theo nhiệt độ) 196 Phụ lục 17 : Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt (theo áp suất p ) 203 Đồ thị i - s cùa nước 209 G. Bàng sậ và đá thị Môi chất lạnh Đồ thị áp suất cùa mội số MCL 210 Phụ lục 18 : Môi chấflạnh CFC12 (R12) 211 Phụ lục 19 : Môi chất lạnh HCFC 123 (R123) 214 Phụ lục 20 : Môi chất lạnh HCFC 22 (R22) 216 Phụ lục 21 : Mõi chát lạnh HFC134a (R134a) 219 Phụ lục 22 : Môi chất lạnh HFC 404A (R404A) 222 Phụ lục 23 : Môi chất lạnh HFC 407C (R407C) 225 Phụ lục 24 : Môi chất lạnh HFC 410A (R410A) 228 Phụ lục 25 : Môi chất lạnh R717 (NH3) 231 Phụ lục 26 : Môi chất lạnh R744 (CO,) 234 Đổ thị môi chất lạnh R12 236 Đố thị mõi chất lạnh R123 237 Đổ thị môi chất lạnh R22 238 Đồ thị mõi chất lạnh RI 34a 239 Đó thị môi chất lạnh R407C 240 Đồ thị mỏi chất lạnh R410A 241 Đố thị môi chất lạnh R404A 242 Đố thị mỗi chất lạnh R717 (NH3) 243 Đổ thị môi chất lạnh R744 (CO?) 244 Đổ thị mõi chất lạnh R718 (Hj0) 245 H. Báng sậ và dó thị không khí ấm Phụ lục 27 : Bàng phân áp suất và độ ẩm luyêt đối của hơi nước trong Không khi ẩm bão hoa Đổ thị i - d Mollier của không khi ẩm 247 Đồ thị i - d của không khí ẩm (t = 0°c - 200°C) 248 Đổ thị i - d của không khi ẩm (t = Aitód) 249 Đồ thị t - d Carrier của không khí ẩm 250 TÀI LIỆU THAM KHẢO 251 8 L Ờ I NÓ I ĐÂ U Nhiệt động kỹ thuật là môn khoa học nghiên cứu những quỵ luật khách quan về năng lượng mà chủ yếu là quá trinh biến đậi giữa nhiệt và cóng. Đè phù hợp với nội dung đào tạo cùa các trường Đại học kỹ thuật khậi công trinh, cuận Nhiệt động kỹ thuật được biên soạn lần này đã bậ sung những nội dung khoa học về các phương pháp sử dụng năng lượng có hiệu quá trong hệ thông thiết bị công trình. Đứng trước những thách thức về sự cạn kiệt các nguồn nhiên liệu hoa thạch và vân đề ó nhiễm mói trường, Nhiệt động kỹ thuật đã không ngừng nghiên cứu hoàn thiện về nguyên lý và công nghệ đè nâng cao hiệu quà sử dụng nhiệt, giảm tiêu thụ điện trong máy lạnh..., đó là những giải pháp tích cực trong mục tiêu tiết kiệm năng [ương. Bằng phương pháp phán tích khoa học Nhiệt động kỹ thuật có thê chỉ ra các giải pháp sử dụng năng lượng một cách hợp lý và có hiệu quả trong hệ thông kỹ thuật công trình như: Cáp Nhiệt - Lạnh đồng thời bang máy lạnh thu hồi nhiệt hoặc sứ dụng chu trình ghép trong hệ thông điểu hoa không khí, cấp nước nóng bảng bơm nhiệt... Trong thời gian gần đây nhiệt động kỹ thuật đã chú ý nghiên cứu khá năng sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (bức xạ mặt trời, nhiên liệu sinh khậi, địa nhiệt...) đế có thế tiết kiệm các nguồn nhiên liệu hoa thạch uà hạn chê hiện tượng ô nhiễm nhiệt ở quy mô toàn cầu, góp phần báo vệ môi trường trong chiến lược phát triẽn bển vững. Theo xu hướng phát triển và hội nhập, cuận sách đã trinh bày đẩy đủ những nội dung khoa học cơ bản và cập nhật những thông tin kỹ thuật cẩn thiết cho các ngành kỹ thuật công trinh, năng lượng và môi trường... và bậ sung chương Tiết kiệm năng lượng trong công trinh theo định hướng Quy chuẩn xây dựng Việt Nam 09/2005 - Công trình xây dựng sử dụng năng lượng có hiệu quả - đê nội dung môn học không xa lạ với thực tiễn phát triển của ngành xây dựng và có thè đáp ứng được những yêu cầu đậi mới theo định hướng cải cách giáo dục đại học trong giai đoạn hiện nay. Cuận Nhiệt động kỹ thuật biên soạn lần này được sử dụng làm giáo trình giáng dạy và học tập cho sinh viên các ngành Hệ thậng thiết bị công trình Năng lượng và môi trường. VỘI liệu xây dựng... của trường Dại học Xây dựng và có thế 9 là tài liệu tham khảo cho các trường đại học kỹ thuật khác như: Giao thông - Vận tải, Mỏ địa chất, Hàng hải... Trong lần tái bản này tác giả đã bổ sung và sửa chữa những thiếu sót cùa lẩn xuất bán đầu tiên. Đế giáo trình được hoàn thiện hơn, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc và cảm ơn bộ môn Năng lượng và Môi trường - Trường Đại học Xây dựng đã giúp đỡ hoàn thiện cuận sách trong lần tái bản này. Những ý kiến góp ý xin gửi về địa chỉ email: nhattrungfo fpt.vn và mobilefone: 090.401.7722. Hoặc Công ty cổ phần Sách Đại học - Dạy nghề, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội. TÁC GIẢ 10 Chươn g ì NHỮN G KHÁ I NIỆ M c ơ BẢ N CỦ A NHIỆ T Đ Ộ N G K Ỹ THUẬ T Lịch sử và nội dung môn học Nội dung chính của Nhiệt động kỹ thuật là nghiên cứu điêu kiện và mức độ của các quả trinh biến dổi năng lượng trong đó chủ yếu là sự biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng theo hướng có lợi nhất. Vi dụ như vấn đề nâng cao hiệu suất của các động cơ nhiệt, giảm tiêu hao điện năng trong các máy lạnh. Những nội dung cơ bản của Nhiệt động kỹ thuật được hình thành và phát triển từ thế kỷ 17, cùng với sự phát triển của máy hơi nước RanKine1 đã xây dựng đó thị p - V của hơi nước năm 1872, năm 1876 Nikolaus Otto2 phát minh ra động cơ đốt trong 4 kỳ, với các kết quả đạt được, Nhiệt động kỹ thuật đã trở thành môn khoa học độc lập góp phấn vào sự phát triển của ngành năng lượng đem lại sự thành công của cuộc cách mạng công nghiệp thế kỷ 19. Nhưng trước đó gần hai thế kỷ những định luật thực nghiêm đầu tiên của Nhiệt động kỹ thuật đã được đề cập trong nghiên cứu của Boyle3 năm 1662, Mariotte4 năm 1679 và Gay Lussac5. Tiếp theo là những nghiên cứu của Carnot6 năm 1824 về chu trinh lý tưởng, Robert Mayer7 đã dưa ra khái niệm Nhiệt là một dạng năng lượng và Clausius8 đã hình thành hai định luật nhiệt động góp phấn xây dựng những nội dung cơ bản của môn Nhiệt động kỹ thuật. Từ đầu thế kỷ 20 đến nay, Nhiệt động kỹ thuật đã phát triển không ngừng các nội dung nghiên cứu về khi thực, hơi nước... để góp phần cho sự hoàn thiện các chu trinh thiết bị động lực, máy nhiệt và thiết bị lạnh, phục vụ cho sự phát triển của các ngành năng lượng, giao thông vận tải, điều hoa không khi (ĐHKK),. Nhiệt động kỹ thuật trong hơn 300 năm phát triển đã có những đóng góp quan trọng cho việc nghiên cứu và sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên, dem lại sức mạnh to lớn cho cuộc cách mạng khoa học kỹ thuậtthế kỳ 19. Nhưng đến nay, do việc sử dụng quá mức các nguồn nhiên liệu hoa thạch đã dẫn đến hiện tượng ô nhiễm nhiệt ỏ quy mô toàn cầu và sự biến đổi khí hậu bất lợi cho sự phát triển bén vững của nhiều vùng rộng lớn trên thế giới. S.GayLussac (1778 1850) - Nhà vật lý Pháp I.RanKine (1802 1872) Nhà vật lý Anh 6. Sadi Camot (1796 1832) - Nhà vật lý Pháp 2 Nikolaus Ottò (1832-1891) Kỹ sưĐức 7. Roberl Mayer (1814 1878) Nhả vật ly ở Hailbronn 3. Robert Boyle (1627 1691) - Nhà vật ly Anh 8. Rudolt Clausius (1822 1888) Nhà vài ly Đức 4. Edone Mariotte (1620 1684) Nhà vật lý Pháp 11 1.1. NHỮNG KHÁI NIỆM c o BÀN 1.1.1. Hệ thống đơn vị quốc t ế SI (System Intemational) Hệ thống đơn vị quốc tế SI bao gốm 6 đại lượng cơ bản sau: Bảng 1.1. Các đơn vị cơ bàn trong hệ thống đơn vị quốc tế SI Đại lượng cd bàn Đơn vị cơ bản Đại lượng cd bàn Tên quốc tế Việt Nam Viết tắt Độ dài Meter Mét m Khối lượng Kilogram Kilôgam kg Thời gian Second Giây s Cường độ dòng điện Ampere Ampe A Nhiệt độ nhiệt động Kelvin Nhiệt độ tuyệt dối K Cưởng độ ánh sáng Candela Candela cd Bảng 1.2. Hệ số thập phân dứng trước dơn vị hệ SI Tên gọi giga mega kilo hecto deca deci centi milli micro na no Ký hiệu G M k h da d c m n Hệ sô 109 106 103 102 10' 10-' 10 2 10 3 1.0"* 10-* Trên cơ sỏ những đại lượng vật lý cơ bàn, có thể thiết lập được đơn vị của các đại lượng vặt lý dẫn xuất: lực, năng lượng, công suất... Bàng 1.3. Một số đơn vị vật lý dẫn xuất trong hệ thống đơn vị quốc tế SI Tên đại lượng Ký hiệu Phương trình vật lý Đơn vị Lực N (Newton) F = G.a N = kg.m/s2 Năng lượng'1' J (Joule) E = F./ J= N.m = kg.m2/s2 Công suất w (Wattl2)) P = E/T w = J/s = kg.m2/s3 Ghì chú: G - (kg) khối lượng ; a - (m/s2) gia tốc ; T - (s) thòi gian ; /(m) - quãng đường. (1) kWh = kJ/s.3600s = 3600 kJ. (2) James Watt (1736 - 1819) - Kỹ sư người Anh, năm 1765 đã phát minh máy hơi nước. 1.1.2. Hệ nhiệt động, chất môi giói và nguồn nhiệt 1. Hệ nhiệt động Đối tượng nghiên cứu của Nhiệt động kỹ thuật là các hệ nhiệt động, trong đó chất môi giãi (CMG) có thể thực hiện quá trinh biến đổi trạng thái và trao đổi năng lượng với mõi trường. 12 Hệ nhiệt động có thể là hệ kín, hệ hở, hệ đoạn nhiệt hay hệ cô lặp. Trong hệ kín, khối lượng chất môi giới không thay đổi và không đi qua vỏ bọc ngăn cách hệ với môi trường. Ví dụ, môi chất lạnh trong máy lạnh kiểu máy nén. Hệ hở là hệ có thể có sự chuyển dộng vĩ mô và khối lượng của hệ thay đổi khi chất mỏi giới di qua vỏ bọc của hệ vào môi trường. Ví dụ, CMG là sản phẩm cháy trong động cơ đốt trong. Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi nhiệt với mõi trường, Q = 0. Hệ cô lập là hệ không trao đổi nhiệt và công với môi trường, Q = 0; L = 0. 2. Chất môi giới (CMG) Quá trình biến đổi giữa nhiệt và công trong hệ nhiệt động thường phảitiến hành thông qua các chất trung gian được gọi là chất môi giới (CMG). Chất môi giới trong hệ nhiệt động có thể tồn tại ở các pha cơ bản: thể khi (hơi), thể lỏng hoặc thể rắn. Trong các máy nhiệt, chất môi giới chủ yêu tồn tại ở thể khi (hơi) hoặc lỏng vi quá trình biến đổi giữa nhiệt và công gắn liền với sự thay dổi thể tích. Khi sử dụng, nhiệt biến đổi pha (hơi - lỏng) sẽ đem lại hiệu quả trao đổi nhiệt cao, tiết kiệm được công bơm chất môi giới ở pha lỏng và kích thước thiết bị nhỏ gọn hơn. Trong các máy nhiệt, chất môi giới thường là khi thực, được tạo nên từ các phân tử có kích thước và trọng lượng bản thân nhất định, đổng thời giữa chúng có lực tác động tương hỗ. Trong quá trình nghiên cứu, các nhà vật lý đã đưa ra khái niệm khí lý tưởng là chất khí có thể bỏ qua thể tích bản thân các phân tử và lực tương tác giữa chúng vì vậy các phân tử được xem là các chất điếm chuyển động. Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khí quyển, có thể xem không khi. ôxy, nitơ... là khí lý tưởng. Kết quà tinh toán đối với khi thực tồn tại ở trạng thái loãng gần đúng với giả thiết của khi lý tưỏng. Khi máy nhiệt sử dụng chất môi giới là khí thực do sự thay đổi nhiệt độ và áp suất khá lớn đống thời có sự biến đổi pha của chất môi giới trong chu trình nên người ta thường sử dụng bảng số và đồ thị trạng thái để có thể tinh toán chính xác các quá trình nhiệt động khi thực. 3. Nguồn nhiệt Trong chu trình nhiệt động, sự thay đối trạng thái của CMG gắn liến với các quá trinh trao đổi năng lượng với các nguồn nhiệt: Nguồn cấp nhiệt và Nguồn nhặn nhiệt. Nguồn cấp nhiệt cho CMG có thể là nhiệt lượng thu được từ các quá trinh đốt cháy nhiên liệu, từ môi trường hoặc từ vật cần làm lạnh. Nguồn nhận nhiệt từ CMG thường là môi trường không khí và nước trong tự nhiên hoặc vật cấn sưởi ấm. Đối với động cơ nhiệt, nguồn nhận nhiệt là mõi trường nước/không khitiếp nhận nhiệt thừa và các khi thải của quá trình cháy nhiên liệu, nguồn cấp nhiệt được lấy từ quá trinh đốt cháy nhiên liệu. Ví dụ: Trong Chủ trinh thiết bị làm lạnh, CMG cấn có nguón nhận nhiệt là môi trường nước/ không khí để làm mát CMG trong quá trình ngưng tụ và nguồn cấp nhiệt là vặt cần làm lạnh ỏ nhiệt độ thấp. Khi sử dụng bơm nhiệt, môi trưởng nước/khõng khi lại là nguồn cung cấp nhiệt cho vệt cần sưỏi ấm (nguồn nhận nhiệt). Môi trưởng không khi Trong điều kiện khi quyển, không khí khô có các thành phấn theo DIN ISO 2533 như sau 13 Bảng 1.4. Thành phẩn không khi khô trong khí quyển Chất khí Cõng thức hoa học Thành phẩn khối lượng (%) Thành phần thể tích (%) Ghi chú ôxy 02 23,15 20,93 Nitơ N2 75,51 78,10 Argon Ar 1,286 0,9325 Khi trơ Cacbonic co2 0,04 0,03 Hydro H2 0,001 0,01 Neon Ne 0,0012 0,0018 Khi trơ Hen He 0,00007 0,0005 Khi trơ Krypton Kr 0,0003 0,0001 Khí trơ Xenon Xe 0,00004 0,000009 Khí trơ Bề dày của khí quyển khoảng 600km, ỏ tẩm thấp khí quyển được gọi là tang đối lưu (TROPOSPHERE) có độ dày khoảng 11km tiếp theo là tầng bính lưu (STRATOSPHERE) từ (114- 75km) và tầng điện ly (IONOSPHERE) từ (75 -í- 600km). Trong khí quyển, õzon (03) tập trung nhiều trong tầng bình lưu ở độ cao khoảng 25km và chịu tác động phá huỷ của các môi chất lạnh CFC phát thải vào khí quyển. Quan hệ giữa độ cao vối áp suất và nhiệt độ khi quyển cho trong bảng 1.5, theo độ cao so với mực nước biển nhiệt độ và áp suất không khí giảm dấn, điếu này sẽ ảnh hưởng đến chế độ làm việc của động cơ turbin phản lực và thiết bị ĐHKK khi các máy bay đường dài hoạt động ở độ cao trên 10km. Bảng 1.5. Nhiệt độ vả áp suất không khí phụ thuộc vào độ cao (DIN ISO 2533.12.79) Độ cao (km) 0 0,5 1,0 2 3 4 6 8 10 15 20 Áp suất (mbar) 1013 955 899 795 701 616 472 356 264 120 55 Nhiệt độ (°C) 15 11,8 8,5 2,04 -4,5 -11 -24 -37 -50 • -55 -55 Nhiệt độ không khi ở độ cao từ 0 + 1 km sẽ phụ thuộc nhiều vào điều kiện thờitiết và vị tri địa lý của từng khu vực. Ở độ cao 3 km, nước sôi ờ 90°c, khi lên đến độ cao 10 km nước sẽ sõi ở 66°c. Tốc độ gió được đo bằng Anemometer và được chia thành 17 cấp. Từ cấp 0+17 tương ứng với tốc độ gió từ 0 + 56m/s. Bảng 1.6 cho biết phân cấp tốc độ gió từ cấp 0 đến 9. Bàng 1.6. Bàng phân cấp tốc độ gió 0 đến 9 Cấp 0 1 2 3 4 Tốc độ gió(m/s) 0,0^0,2 0,3 + 1,5 1,6 * 3,3 3,4 + 5,4 5,5 * 7,9 Cấp 5 6 7 8 9 I Tốc độ gió(m/s) 8,0+ 10,7 10,8 4- 13,8 13,9+ 17,1 17,2 * 20.7 20,8 V 24.4 14 Ở điều kiện nhiệt độ t = 0°c và áp suất 1,01325 bar, không khí khô có các thông số sau: - Khối lượng riêng p = 1,293 kg/m3. - Nhiệt dung riêng đẳng áp Cp = 1,0043 kJ/kg.K Các thông số vật lý của khí quyển phụ thuộc độ cao (bảng 1.5) và tốc độ gió (bảng 1.6) sẽ ảnh hưởng đến công suất của các thiết bị nhiệt sử dụng không khí. Công suất và hiệu suất của các máy nhiệt còn phụ thuộc nhiều vào điếu kiện khi hậu ngoài nhà cho trong các tài liệu khí hậu xây dựng. Môi trường nước Trong quá trình làm việc, máy nhiệt có thể thực hiện các quá trình trao đổi nhiệt với môi trưởng nước, khi động cơ nhiệt "và máy lạnh sử dụng nước làm mát, kích thước bộ trao đổi nhiệt sẽ nhỏ hơn so vói làm mát bằng không khí. Trong điều kiện khi hậu miền Bắc, nhiệt độ nước đi vào thiết bị làm mát có thể thay đổi từ 13 -ỉ- 34°c tuy thuộc vào điều kiện thờitiết, loại nguồn nước (nưác mặt, nưâc ngẩm...), về mùa hè nhiệt độ nguồn nước mặt phụ thuộc nhiêu vào nhiệt độ không khí và điểu kiện hấp thụ bức xạ mặt trời. Theo tiêu chuẩn ARI standard 550/590 - 998 (USA) thì nhiệt độ tính toán của nước làm mát đi vào máy lạnh là 29,4°c (44°F). Khi nhiệt độ nước làm mát tăng 5°c thì công suất của thiết bị lạnh sẽ giảm khoảng 6%. 1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy nhiệt Máy nhiệt là những thiết bị nhiệt thực hiện quá trinh biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng. Theo chiều của chu trình các máy nhiệt được chia thành hai nhóm: Động cơ nhiệt và Máy lạnh kiểu máy nén/Bơm nhiệt. Động cơ nhiệt là loại máy nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều kim đồng hổ, biến một phần nhiệt lượng Q, thành công cơ học Lo và nhả phần nhiệt thừa Q2 vào mõi trường. Lo = Q, - Q2 T, Nguồn cấp nhiệt - Q, mi Nguồn nhận nhiệt - Q2 Hình 1.1. Sơ đó nguyên lý động ca nhiệt 0, - Nhiệt lượng nhận được từ nguồn cấp nhiệt (Nguồn nóng 7", = 1000 ^1400^0). Q2 - Nhiệt lượng nhả cho nguồn nhận nhiệt (Nguồn lạnh Tm - Nhiệt độ môi trường). Lo - Công sinh ra trong một chu trình. 15 Máy lạnh kiểu mày nén là loại máy nhiệt làm việc theo chu trinh ngược chiếu kim đống hỗ. tiêu hao cõng cơ học Lo để nhận nhiệt lượng Qp từ vật cắn làm lạnh và nhả vào môi trưởng mót lượng nhiệt Q,. Q, = Lo + Q2 Bom nhiệt: là loại máy nhiệt làm việc theo chu trinh ngược chiều kim đống hổ. nhưng khác VỚI máy lạnh ờ chỗ bơm nhiệt tiêu hao công cơ học Lo để nhận nhiệt Qm, từ môi trường cung cấp cho vật cắn sưởi ấm nhiệt lượng Ql v Q,S = L„ +Qml Nguồn nhận nhiệt coi Nguồn cấp nhiệt Nguồn nhận nhiệt ^ j Lọ Nguồn cấp nhiệt (Vật cấn làm lạnh) Tm - Nhiệt độ môi trường ; T. - Nhiệt độ vật sưới ấm ; T - Nhiệt dô vặt làm lạnh Hình 1.2. Phạm vi làm việc của máy lạnh và bơm nhiệt BƠM NHIỆT MÁY LANH Q, s Nhiệt lượng bơm nhiệt cung cấp cho vật sưởi ấm Q, Nhiệt lượng may lạnh nhả vào mỗi trường Q„„ Nhiệt lượng bơm nhiệt nhận lừ môi trưởng Q, Nhiệt lượng thu được từ vát cán làm lanh L0 - Công tiêu tận đế thực hiện chu trinh Lr Công tiêu tận đế thực hiện chu trinh O,s=L0 + Qm, Op = Q, -L Trên hình 1.2 có thế thấy nguồn cấp nhiệt cho máy !ạnh/bơm nhiệt không phải là nguồn nóng và nguồn nhặn nhiệt từ máy lạnh/bơm nhiệt cũng không phải là nguồn lạnh. Trong chu trinh ngưoc chiếu, nhiệt đõ của nguồn cấp nhiệt luôn thấp hơn nhiêt độ nguồn nhận nhiệt. Như vậy khái niệm nguồn nóng/nguổn lạnh chì trùng VỚI khái niệm nguồn cấp nhiệưnguón nhận nhiệt trong chu trình thuận chiều cùa động cơ nhiệt. Máy lạnh và bơm nhiệt đều là loại máy nhiệt làm việc theo chu trinh ngược tiêu tồn còng đế thực hiện quá trinh truyền nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao. trong dó may lanh làm việc ở phạm vi nhiệt độ thấp hơn phiệt độ mõi trường với múc đích làm lạnh còn bơm nhiét làm việc ỏ phạm vi nhiệt độ lớn hơn nhiệt đô môi trường VỚI mục đích sưởi ấm. 16 Ì .2. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA CHẤT MÔI GIÓI (CMG) Theo thuyết động học phân tử, vật chất được cấu tạo từ các phán tử và nguyên tử, các phân tử và nguyên tử luôn luôn chuyển động. Chuyển động hỗn loạn của các phân tử chất khi. chất lỏng và chuyển động dao động của các phân tử chất rắn được gọi là chuyển động nhiệt. Chuyển động nhiệt của các phân tử và nguyên tử được đặc trưng bằng động năng trung bình của các phân tử wa„. Còn tương tác giữa các phân tử tạo nên thế năng của các phân tử vv^,. Đối với các chất khi loãng, do khoảng cách giữa các phân tử lớn nên có thể bỏ qua wm và người ta có thể tim được những định luật tổng quát cho các chất khí và các thông số trạng thái cơ bản của chất khí là nhiệt độ, thể tích riêng và áp suất... 1.2.1. Nhiệt độ 1. Nhiệt độ tuyệt đậi: là đại lượng vật lý tỷ lệ với mức độ chuyển động nhiệt của các phân tử. 2 w T-§ ^ (1-1) Trong đó: T - Nhiệt độ tuyệt đối hay nhiệt độ Kelvin1 (K). R - Hằng số phổ biến của chất khí R = 8314 (J/kmolK). wđ n - Động năng trung bình của các phân tử khí (J/kmol). Trong kỹ thuật, nhiệt độ là mức đo nóng lạnh của một vật và được so sánh vói nhiệt độ của một số quá trình đẳng nhiệt. 2. Nhiệt độ Celsius' Thang chia nhiệt độ Celsius ký hiệu là t (°C) đã chọn nhiệt độ đông đặc to = 0°c và nhiệt độ sôi tsô, = 100°c của nước ở áp suất 760mmHg (1,01325 bar) làm điểm mốc và chia làm 100 khoảng bằng nhau. Quan hệ giữa nhiệt độ tuyệt đối và nhiệt độ Celsius: Theo quy ưâc thông số của nước ở điểm 3 thể sẽ là: t(°C) = 0,01 °c p = 6,1 mbar = 610 Pa Đối chiếu với nhiệt độ Celsius ta có: - Nhiệt độ đông đặc của nưóc ở điểm 3 thể tính theo độ Kelvin: T(K) = 273,16K. - Nhiệt độ sôi của nước tinh theo độ Kelvin: T(K) = 373.15K. 1 Lorơ Kelvin (1824- 1907) - Nhà vật lý người Anh; 'Anders Celsius (1701 - 1744) - Nhà thiên văn Thúy Điền. 2-GT..KT 17 p Đường nóng chảy 221.2 bar - - - •« Điểm tối hạn Đường áp suất hơi 0.0061 bar Hơi nước quá nhiệt o.orc 374.15"C ' Hình 1.3. Điểm 3 thể của nước Quan hệ giữa nhiệt độ Kelvin và nhiệt độ Celsius như sau: T(K) = t(°C) + 273,15 (1 -2a) t(°C) -- T(k) 273.15 (1 -2b) Nhiệt độ 0(K) = - 273,15(°C) sẽ tương ứng với trạng thái dừng chuyển động nhiệt cùa các phân tử, nguyên tử vì vậy theo thuyết động học phân tử thi không thể đạt được nhiệt độ không tuyệt đối. Cần chú ý rằng một độ chia của thang nhiệt độ Celsius và Kelvin là như nhau, vì vậy hiệu số nhiệt độ tính theo độ (°C) hay độ (K) sẽ bằng nhau. Từ đó thống nhất cách viết một độ chia theo nhiệt độ (K) hay nhiệt độ (°C) đều ký hiệu (K), ví dụ dơn vị của nhiệt dung riêng: J/kg.K. AT(K) = (V V = (t1 +273 '1 5 ) -('2 +273,15) = (tj-t 2 ) = AI(°C) 3. Nhiệt dô Pahrenheit1 Ngoài các thang nhiệt độ trên, ỏ các nước (Anh, Mỹ....) thường sử dụng thang nhiệt độ Fahrenheitký hiệu là T(°F). Công thức chuyển đổi từ T(°F) sang t(°C) như sau: t(°C) = |[T(°F)-32] (1-3) Theo công thức trên t(°C) = 0 khi T(°F) = 32, việc tinh chuyển giữa (°C) và (°F) được cho trong bảng 1.7. ' Pahrenheil (16S6 - í 726) - Nhà vật lý ở ArtỊsterơam 18 Bảng 1.7. Chuyển dổi giữa t(°C) và T(°F) Nhiệt độ °c C/F °F °c C/F °F °c C/F °F °c C/F °F — — -ó — -23,3 -10 + 14,0 -15,0 +5 +41,0 6,7 +20 +68,0 +1,7 +35 +95,0 22.8 9 + 15.8 -14,4 +6 +42,8 -6,1 +21 +69,8 +2,2 +36 +96,8 -22,2 ~8 + 17.6 -13,9 +7 +44,6 -5,5 +22 +71,6 +2,8 +37 +98.6 21,7 -7 + 19,4 -13,3 +8 +46,4 -5.0 +23 +73,4 +3,3 +38 + 100,4 -21,1 -6 +21,2 -12,8 +9 +48,2 -4,4 +24 +75,2 +3,9 +39 + 102,4 -20,6 -5 +23,0 -12,2 + 10 +50,0 -3.9 +25 +77,0 +4,4 +40 + 104,0 -20,0 -4 +24,8 -11.7 + 11 +51,8 -3,3 +26 +78,8 +5,0 +41 + 105,8 19.4 -3 +26,6 -11,1 + 12 +53,6 -2,8 +27 +80,6 +5,5 +42 +107,6 -18.9 2 +28.4 -10,6 + 13 +55,4 2,2 +28 +82,4 +6,1 +43 +109,4 Cách đọc : Từ cột C/F - đọc cột bên phải nếu chuyển từ °C--*°F, đọc cột bên trái nếu chuyến từ °F->°C. 1.2.2. Dãn nỏ nhiệt Trong tự nhiên, khi nhiệt độ chất lỏng và chất khi thay đổi sẽ dẫn đến hiện tượng dãn nở nhiệt, đó là nguyên nhãn của các hiện tượng đối lưu tự nhiên trong khi quyển và sự dãn nở của các vật rắn. Trong xây dựng, sự dãn nỏ nhiệt có thể dẫn đền sự rạn nứt của các công trình có kích thưôc lớn như: nhà cao táng, cầu, đường, đẽ đập... Vì vậy, khithiết kế các công trinh có kích thước lớn cần phải chú ý đến sự dãn nở dài để tránh những hư hỏng do hiện tượng dãn nở nhiệt. Trong kỹ thuật, hiện tượng dãn nở nhiệt thể tích của các chất lỏng (Hg, cấn...) được ứng dụng để chế tạo các dụng cụ đo nhiệt độ trong phạm vi 200°c + 625°c. Ở áp suất không đổi, vật chất dãn nỏ khi nhiệt độ tăng, hiện tượng này được gọi dãn nở nhiệt. Chỉ có một trường hợp ngoại lệ là nước có thể tích riêng nhỏ nhất ỏ +4°c đã làm cho nước biển không bị đóng băng hoàn toàn ỏ các vùng cực. í. Sự dãn nở dài cùa vật rân AL Hệ số dãn nỏ dài do nhiệt của một vật phụ thuộc vào loại vật liệu, phạm vi nhiệt độ và được xác định như sau: 1 d/ , ct -- ---; ớ p = const (1-4) L dt u là độ dãn dài của vật liệu so với chiều dài ban đầu khi nhiệt độ tăng 1K. Giả trị cùa oe phụ thuộc vào nhiệt độ nhưng trong tài liệu kỹ thuật thường cho a trung binh trong khoảng nhiệt độ từ 0°c -H- t°c, do đó độ dãn dài khi nhiệt độ tăng từ 0°c đến t,°c được xác định như sau: 19 '1 -'o='o«, B|Ố(t l-0°C) <1-5> Khi nhiệt độ thay đổi từ t, đến t2 có thể xác định độ dãn nở nhiệt: A/ = / 2 -/i=/ 0 (a, b|òlt 2 -at b || )'t 1 ) (m) (1-6a) A/ = /2-/1=/ũatb|Ị;(t2-t1) (m) (1-6b) l*2 l'l Ù "tb crl Với 2, T i2 T "tb 0Ị 'ì (1/K) Thông thường trong tính toán gán đúng có thể lấy: alb Ị: = alb ó: Và công thức có thể viết lại như sau: "•Vu , %-t) (m) (1 _ 7 ) 1 2. Dãn nở thể tích AV Ở áp suất không đổi, dãn nở thể tích của một vật khi nhiệt độ tăng 1K được gọi là hệ số dãn nở thể tích do nhiệt, hệ số này phụ thuộc vào loại vật liệu và phạm vi nhiệt độ. Hệ số dãn nở thể tích do nhiệt được xác định như sau: 1 dV . _ (1 -8) p = —— ;ởp = const V dĩ p - Hệ số tăng thể tích so với thể tích ban đầu khi nhiệt độ tăng 1K. Hệ số dãn nở thể tích phụ thuộc vào nhiệt độ, đối vói khí lý tưởng p = —. Tương tự với độ dàn dài, độ dãn nở thể tích có thể được xác định: AV = V2 -V, = V0(plb|«'t2-pIb|i't1) (m3) (1 _ 9 a ) AV=V2 -Vl=V0 pt b |;:(t 2 -t 1 ) (m3) (1 _9b) ít Ptb ỏ tỉ ~ Ptb Ố 'ì v ớ i Ptb ĩ: = ' • _• ' (1/K) Trong tính gần đúng có thể sử dụng công thức: AV*V,p,b|;:(t2-t,) (m3) (1_1 0 ) 20 Bàng 1.8. Hệ số dãn nỏ dài trung bình và hệ số dãn nỏ thể tích của một số vật liệu Hệ số dãn nã dài ĩ}-lkt,2) Nhú loàn lun Pháp 23 Áp suất khí quyển phụ thuộc độ cao so với mặt biển và được tinh theo công thúc- (1 -16) ,, - ,, 1 6.5 HỴ p"= p ° l 128ẽJ Trong đó: p„ = 1013,25 kPa là áp suất khi quyển trên mặt biển (0 km). pkq - Áp suất khí quyển ở độ cao H (km), (kPa). ị " «^p = pk, + pt —> ị Hình 1.5. Áp suất tuyệt đối lớn hon áp suất khi quyển Hình 1.6. Áp suất tuyệt dối nhỏ hơn áp suất khí quyển a) Áp kế kiểu màng (Manometer) b) Áp kế kiểu lò xo ống (Manometer) Hình 1.7. Các loại áp kế 24 c) Khi áp kế h =760mmHg =1atm (Barometer) 1.3. NHIỆT 1.3.1. Nhiệt lượng Lượng năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử được truyền từ vật này sang vặt khác được gọi là nhiệt lượng Q. Trong hệ SI, nhiệt và công đều được đo bằng Joule' (J), vé mặt lịch sử nhiệt lượng được đo bằng kcal - là lượng nhiệt cần thiết để gia nhiệt 1 kg nước từ 14,5 -> 15,5°c ở áp suất khí quyển 1,01325 bar: 1 kcal = 4185,5 J = 4,1855 kJ Khái niệm nhiệt còn được sử dụng trong một số ý nghĩa khác nhau: - Trưâc hết nhiệt được hiểu là quá trình truyền năng lượng từ vặt này sang vặt khác bằng sự trao đổi nhiệt. - Năng lượng chuyển động hỗn loạn của các phân tử và nguyên tử chất lỏng hoặc chất khi và dao động của các phân tử chất rắn được gọi là năng lượng nhiệt. - Năng lượng nhiệt cũng được sử dụng để chì phần năng lượng trao đổi khi chất môi giới biến đổi pha: nhiệt ẩn nóng chảy, nhiệt ẩn hoa hơi, nhiệt ẩn thăng hoa,... 1.3.2. Nhiệt dung riêng và cách tính nhiệt lượng í. Nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng của một chất là lượng nhiệt cần để làm tăng nhiệt độ của một đơn vị đo lường vật chất đó lên một độ trong một quá trình nào đó. Nhiệt dung riêng của chất khí phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ và áp suất. Thông thường ta có thể bỏ qua sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào áp suất ỏ các áp suất không quá lớn. Nhiệt dung riêng được ký hiệu là c. Vì nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ nên ta có khái niệm nhiệt dung riêng thực và nhiệt dung riêng trung bình. Nhiệt dung riêng thực là nhiệt dung riêng tại một nhiệt độ nào đó. Ta có biểu thức: (1-17a) li Nhiệt dung riêng trung bình là nhiệt dung riêng trong một khoảng nhiệt độ Át = t2 -1 , nào đó. (1-17b) - Tuy theo đơn vị đo lượng vật chất mà ta có các loại nhiệt dung sau: + Nhiệt dung riêng khậi lượng: Khi đơn vị đo là kg, chúng ta có nhiệt dung riêng khối lượng, ký hiệu C(J/kg.K). Pmscotl Joule (1818- 1889) - Nhà vật lý người Anh. 25 + Nhiệt dung riêng thể tích: Nếu dơn vị do là mét khối tiêu chuẩn (ký hiệu m3) thì nhiệt dung riêng được gọi là nhiét dung riêng thể tích. ký hiệu là c (J/m3.K). Mét khối tiêu chuẩn là mét khối ở điếu kiện tiêu chuẩn vặt lý (p = 760mmHg; t = 0°C). + Nhiệt dung riêng kilõmol: Nếu đơn vị đo là kílômol (kmol) nhiệt dung riêng được gọi là nhiệt dung riêng kilómol ký hiệu Cụ (J/kmol.K). Kilômol ký hiệu ụ (kg/kmol) là lượng vật chất tinh bằng kg có trị sô bằng phân tử lượng của chất đó. Ví dụ: Phân tử lượng khí Oj là 32, vậy kilômol của 02 là: ụD = 32 kg/kmol. Từ các định nghĩa trên ta có quan hệ giữa các loại nhiệt dung riêng: c C = Cv«=ự (1-18) v,c - thể tích riêng của môi chất ở điều kiện tiêu chuẩn Vật lý. - Tuy theo quá trình nhặn nhiệt của môi chất mà ta có các loại nhiệt dung riêng sau: + Nhiệt dung riêng đẳng áp: Khi quá trình nhận nhiệt xảy ra ở áp suất không đổi, chúng ta có nhiệt dung riêng đảng áp vi dụ cp - nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp ; c p - nhiệt dung riêng thể tích đảng áp ; c - nhiệt dung riêng kilômol đẳng áp. + Nhiệt dung riêng đẳng tích: Khi quá trình nhận nhiệt xảy ra ở thể tích không đổi, chúng ta có nhiệt dung riêng dẳng tích vi dụ cv - nhiệt dung riêng khối lượng đảng tích , C'„ - nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích • c nhiệt dung riêng kilômol đẳng tích. Đối với khí lý tưởng, quan hệ giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và đảng tích được biểu thị bằng công thức Mayer: Cp-CV = R (-I _ 19 ) R - Hằng số chất khi (J/kg.K). Trong nhiệt động, tỳ số giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt dung riêng đẳng tích dươc biểu thị bâng số mũ đoạn nhiệt k: ^ = k c, (1 - 20) Vói các khí thực, trị SỐ k phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất khí. Vói khí lý tưởng, trị sô* chí phụ thuộc vào cấu tạo phân tử của chất khi. Giá trị của k đối với các khi lý tưởng cho trong bàng 1.10. Từ những biểu thức trên. có các biểu thức đôi với khi lý tưởng như sau: c =— (1_21) " k-1 26 C„=R £ (1-22) Đối vái khí lý tưởng, nhiệt dung riêng không phụ thuộc vào nhiệt độ và được xác định theo bảng 1.10. Bàng 1.10. Nhiệt dung riêng và số mũ đoạn nhiệt của khí lý tưởng Loại khi Trị số k kcal/kmol.K kJ/kmol.K Loại khi Trị số k Cụp Một nguyên tử 1,6 3 5 12,6 20,9 Hai nguyên tử 1,4 5 7 20,9 29,3 Ba và nhiều nguyên tử 1,3 7 9 29,3 37,7 Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ: Với khí thực, nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt dung riêng trung binh được xác định bằng công thức sau: (1 -23a) c», .,, =-^(C0,,.t 2 -C0.,.t,) = ^C (1-23b) Át Át Ở đây C0 , ,C0 , là nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng nhiệt độ từ 0 1, và 0 í-12 được cho trong các bảng phụ lục. Bàng 1.11. Nhiệt dung riêng trung binh của một số kim loại Phạm vi nhiệt độ 0°c 4- 100°c 0°c 4- 300°c 0°c 4- 500°c Đơn vị kJ/kg.K kJ/kg.K kJ/kg.K Nhôm 0,908 0,954 0,992 Chì 0,131 0,136 - Sắt 0,464 0,469 0,473 Thép 0.2% c 0,473 0,502 0,540 Thép 0,1% c 0,490 0,515 0,552 Gang 0,544 0,573 0,590 Đồng 0,387 0.401 0.408 27 Bảng 1.12. Nhiệt dung riêng đẳng áp của một số chất rắn, chất lỏng và chất khi Chất kJ/kg.K Chất kJ/kg.K Chất kJ/kg.K Bê tông 0,88 Benzen 1.72 KK khô, 20°c 1,007 Gỗ 2,1-2,9 Glyxerin 2,43 Oxy(02), 20°c 0.915 Gạch 0,84 Thúy ngân 0,138 Nito(N2), 0°c 1.039 Nước đá 2,04 Nưóc 4,1816 Amôniac(NH3),100°C 2,23 2. Cách tính nhiệt lượng Nhiệt lượng được tính theo nhiệt dung riêng hoặc theo entrôpi. Theo nhiệt dung riêng, ta có: Q = G.C.At = V,c.C'.At = M.Cn.At (1 - 24) Trong đó: Q - Nhiệt lượng (J). G - Khối lượng chất khí (kg). vl c - Thể tích ở điều kiện tiêu chuẩn (m3,e). M - Số kilõmol. Át = t2 - t, (°C) sự thay đổi nhiệt độ. 1.4. CÔNG Đối với hệ nhiệt động kín, công là phần năng lượng chất mõi giói trao đổi với mõi trường khi thay đổi thể tích. Cõng khi chất môi giới dãn nở được tinh là công dương. Công khi chất môi giới bị nén ép được tính là cõng âm. Prescott Joule đã chứng minh được sự tương đương về năng lượng giữa nhiệt và cõng vi vậy nhiệt và cõng đêu được đo bằng Joule (J). 1.4.1. Công thay đối thể tích Công thay đổi thể tích*là một đại lượng đặc trưng cho quá trình trao đổi năng lượng vĩ mõ giữa chất môi giới và môi trường. Đối với hệ thống kín, khi thay đổi thể tích chất môi giới đã thực hiện công thay đổi thể tích, ký hiệu / (J/kg) hay L (J). Giả sử có 1 kg chất khi có áp suất p, thể tích V chứa trong xylanh có diện tích piston s. Khi chất khí dãn nở, piston chuyển dịch một đoạn dx và sinh công: d/ = p . (S . dx) = p . dv Do đó công thay đổi thể tích trong quá trình hữu hạn sẽ được tính như sau: 2 2 J / = /dí = Jpdv; (±) ( 1 _ 25) í í *9 Biểu diễn quá trình trên đồ thị p - V ta có nhặn xét: - Nếu v2 > V, thi /,2> 0, quá trinh CMG dãn nỏ sinh cõng. 28 - Nếu VỊ < V, thì /,2 < 0, quá trình nén CMG nhận cõng. - Công 1,2 trong quá trinh 1 - 2 được biểu diễn bằng diện tích v,12v2 (hình 1.8). Trên đố thị p - V, cõng là đại lượng phụ thuộc vào dạng của đường cong tích phân 1-2. - Công có ích : Khi bên ngoài Piston chịu áp lực pm, thi công hữu ích nhặn được tinh bằng '= tụ- Pmi (v2 - V,) và được biểu diễn bằng diện tích 122T trên hình 1.8. p p2 i Iỹ::.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:^p ~~ Pmt ty.-y.-y.-yy. - Hình 1.8. Công thay đổi thể tích trên đó thị p - V 1.4.2. Công kỹ thuật Trong hệ thông hở, công kỹ thuật /k, là công của dòng khí chuyển động thực hiện khi áp suất của chất khí thay đổi. Công kỹ thuật được định nghĩa bằng biểu thức vi phân: d/kl = -vdp (1-26) Trong quá trình hữu hạn, công kỹ thuật được tính như sau: ì /., = Ị- vdp (1-27) Đơn vị của công kỹ thuật /k, (J/kg) hoặc Lị,, (J). Trẽn đổ thị p - V, công kỹ thuật được biểu thị bằng diện tích 12p2p, (hình 1.9). p A Hình 1.9. Cõng kỹ thuật trên đồ thị p - V 29 Tương tự như công dãn nở, ta có nhận xét như sau: Công kỹ thuật là hàm cùa quá trinh. /„ > 0 khi p, < p, và lu < 0 khi p? > p,. Khái niệm công kỹ thuật /„, thực chất chì có trong hệ hở; đối với hệ kin. trong tinh toán có thể tính công kỹ thuật với ý nghĩa định lượng để thay cho việc tinh công thay đổi thể tích ở một vài quá trình nhiệt động. 1.5. HÀM TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG Gibbs1 dã đưa ra phương pháp giải tích đế giải các bài toán nhiệt động trên cơ sở ứng dụng các hàm nhiệt động. Trong phạm vi nhiệt kỹ thuãt, chúng ta chú ý tới các hàm trạng thái sau: 1.5.1. Nội năng Nội năng ký hiệu là u (J) hay u (J/kg). Nội năng là toàn bộ các phấn năng lượng riêng lẻ tạo nên hệ, nó không phụ thuộc vào sự chuyến động cùa cả hệ cũng như sự có mặt của trường lực bèn ngoài. Nội năng u của hệ gốm có động năng chuyển động hỗn loạn cùa các phán tử trong hê và thế năng tương tác giữa chúng. Nội năng của hệ là một hàm đơn trị. Theo thuyết động học phân tử, nội năng của khi lý tưởng là năng lượng toán phán chuyển 3RT động tịnh tiến cùa các phân tử trong một moi khi: u - . Nội năng của khi lý tưởng là hàm cùa nhiệt độ: u = u(T). chi phụ thuộc vào chuyển đông nhiệt hỗn loạn của các phân tử và bò qua tác dụng tương hỗ giữa chúng. Đôi với khi lý tường, trong mọi quá trình biến đổi, nội năng được xác định bằng biểu thức: du = CvdT và Au = u2 -Ui = CV(T2 - T,) (1 - 28) Cu- nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích. Trong các quá trình nhiệt động chỉ cán xác định biên đổi nội năng Au mà không cân giá trị tuyệt đối của nó, nên có thể chọn điểm gốc tuy ý tại đó nội năng có giá tri bằng không. Theo quy ước quốc tế người ta chọn u = 0 ờ nhiệt độ 0,01°c. áp suất 6,1 mbar (điểm ba thể của nước). 1.5.2. Năng lượng đấy Năng lượng đẩy (hay thế năng áp suất) ký hiệu D (J) hay d (J/kg) là nguồn năng lượng thực hiện quá trình lưu động của chất khí trong hệ thống hở. Khi dòng khí hoặc chất lỏng chuyển động, năng lượng đẩy giúp khối khí dịch chuyển, người ta chứng minh được biểu thức năng lượng đẩy là: D = pV hay d = pv (1 29) Các biểu thức trên ỏ dạng vi phân sẽ là: d(D) = d(pV) = pdV + Vdp (1 -30) Hay d(d) = pdv + vdp ' J Siah VVillard Gibbs Ị1838- 1903) - Nhà vật lỵ người Mỹ 30 Năng lượng đẩy cũng là thông số trạng thái và cần chú ý rằng năng lượng đẩy chỉ có trong hệ hở. Khi dòng khí chuyển động, năng lượng đẩy thay đổi và tạo ra công lưu động để đẩy dòng khi dịch chuyển. 1.5.3. Entanpi Entanpi được ký hiệu I (J) hoặc i (J/kg), h (J/kg). Trong nhiệt động, entanpi được định nghĩa bằng biểu thức: I = u + pV và i = u + pv (1-31) Entanpi là hàm trạng thái, vi phân của nó: di = du + d(pv) là vi phân toàn phấn. Entanpi có cả trong hệ hở lẫn hệ kin. cần lưu ý tích số pv trong hệ kín không mang ý nghĩa năng lượng đẩy, ngược lại trong hệ hở pv có ý nghĩa của năng lượng đẩy. Entanpi của khí thực cũng giống như nội năng là hàm phụ thuộc vào hai trong ba thông số trạng thái cơ bản p, V, T. Riêng đối với khí lý tưởng, entanpi chì phụ thuộc vào nhiệt độ: i = f(T) và biến đổi entanpi trong mọi quá trình đều được xác định bằng biểu thức: di = CpdT; Ai = i, - i, = CP(T? - T,) (1 - 32) Ở đây: Cp - nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp Trong các quá trinh nhiệt động, ta chỉ cấn tinh biến đổi entanpi mà không cần biết giá trị tuyệt đối của entanpi. Vi vậy có thể chọn tuy ý điểm gốc mà tại đó entanpi có giá trị bằng 0, theo quy ưâc quốc tế chọn í = 0 ở điểm 3 thể của nước. 1.5.4. Entropi Khi hệ nhiệt động nhặn nhiệt lượng dq trong quá trình thuận nghịch ở nhiệt độ T, vi phàn của hàm entropi được xác định bằng biểu thức : ds = ^ (1-33) Độ biến thiên entropi trong quá trình hữu hạn: As=s2-s, = Ịứ^\ J/kg.K (1-34) Có thể tinh nhiệt lượng theo độ biến thiên entropi như sau : s2 dq = Tds -> q = Ịĩứs, (Mỹ) (1-35) si Trên đồ thị T - s, nhiệt lượng của quá trình được biểu diễn bằng diện tích s,12s2. 31 T(K) Ti T2_ SI ỉds S2 s(J/kg.K) Hình 1.10. Nhiệt lượng trên đố thị T- s 1.6. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG Ì Định luật nhiệt động 1 là định luật bảo toàn và biến hoa năng lượng áp dụng cho các hiên tượng vé nhiệt. Định luật nhiệt động 1 xác lập sự căn bằng năng lượng trong hệ nhiệt động và sự biến đổi tương đương giữa nhiệt và cõng. Biểu thức toán học của định luật nhiệt động 1 có thể trinh bày dưới các dạng khác nhau tuy thuộc yêu cấu tính toán các quá trinh nhiệt động. Định luật nhiệt động 1 là định luật thực nghiệm không chứng minh, vì vậy còn có thể hiểu là nguyên lý nhiệt động thứ nhất. 1.6.1. Năng lượng toàn phần của hệ nhiệt động Năng lượng toàn phần của hệ nhiệt dộng bao gồm: Nội năng ký hiệu u (J), Năng lượng đẩy ký hiệu D (J) và xác định bằng biểu thức: D = pV = Gpv. Khi hệ nhiệt động chuyển động với vận tốc w(m/s) thi động năng của hệ được xác định bằng biểu thức wa = ——; (J). Nếu bỏ qua thế năng của hệ w, =Ggh(J) (Ở đây: G - khối lượng hệ nhiệt động, (kg); g - gia tốc trọng trường, (m/s2); h - cao độ của hệ so với mặt đất, (m)) thì năng lượng toàn phần của hệ nhiệt động được xác định như sau: u + D + w„ (1 -36a) Khi viết cho 1 kg có dạng: (1 -36b) 1.6.2. Phương trình của định luật Ì cho hệ kín Đối với hệ kín không chuyển động thì năng lượng toàn phần của hệ chỉ bao gốm nội năng u: w = u(J/kg); W = U(J) Khi không có sự trao đổi năng lượng với môi trường thi biến đổi năng lượng toàn phán trong hệ kín: Aw = Au = u2 - u„ AW = AU = u2 - u 32 Trong quá trình có sự thay đổi thể tích, hệ nhiệt động nhặn nhiệt lượng dq, một phần nhiệt lượng này làm chất khí dãn nở sinh công di, phần còn lại sẽ làm thay đổi nội năng du. Theo nguyên lý bảo toàn năng lượng ta có phương trình định luật 1 viết dưới dạng: dq = du + di = du + pdv (1 - 37a) Phương trinh của định luật 1 có thể được viết dưới dạng khác, khi dùng định nghĩa entanpi: i = li + pv Từ khái niệm hàm entanpi, biến đổi phương trình như sau : dq = du + pdv = du + pdv + vdp - vdp = du + d (pv) - vdp = d(u + pv) - vdp dq = di - vdp = di + dĩa (1 - 37b) Trong quá trình đẳng áp dp = 0 suy ra dqp = Cpdt = di Trong quá trình dẳng tích dv = 0 suy ra dqv = cvdt = du Công thức: du = CvdT và di = CpdT đúng với mọi quá trình của khi lý tưởng. 1.6.3. Phương trình định luật Ì cho hệ hở Năng lượng toàn phần của hệ hở bao gồm nội năng, năng lượng đẩy và động năng của hệ: w2 in2 rít2 w„ =u + d + -^- = (u + p'v) + —= i + — (1-38a) Đối với một quá trình, độ biến thiên năng lượng toàn phần cùa hệ sẽ là: . Au)' Aw„ = Ai + — (1-38b) Trong hệ hở thì nhiệt lượng nhặn được sẽ làm thay đổi năng lượng toàn phấn của hệ: q = Awh = Ai + ^ (1-39a) 2 dq = di + d— (1-39b) Trong hệ hở, công kỹ thuật được xác định bằng độ thay đổi động năng của hệ, do đó ta có: dq = di + d/w (1-40a) q=Ai + /k, (1-40b) Từ các công thức (1 - 37a, b) và (1 - 40a) có thể thấy đối với khí lý tưởng định luật nhiệt động 1 viết cho hệ kín và hệ hở có dạng thống nhất như sau: Dạng vi phân dq = du + pdv - C,dT + pdv (1-41a) dq = di-vdp = CpdT-vdp (1-41b) 3-GT..KT 33 Dạng hữu hạn q Au +Jpdv 2 Ai- [vdp (1 -42a) q (1 -42b) 1.6.4. ứng dụng dinh luật Ì Chứng minh biểu thức May-e: Từ các phương trình của định luật 1 có thể rút ra : (Cp - Cv)dT = pdv + vđp = d(pv) Nhưng đôi với khi lý tưởng phương trình trạng thái có dạng pv - Rĩ nên ta có: (Cp - C,)dT = d(RT) = RdT Cp- c„ = R 1.6.5. Hiệu suất nhiệt Theo biểu thức của định luật nhiệt động 1 thi trong một chu trình biến thiên nội năng Au = 0 nên tổng đại số nhiệtsẽ bằng tổng đại số công của các quá trình. Trong chu trình thuận chiều (động cơ nhiệt), chất mõi giới nhận nhiệt lượng q, và nhả cho môi trường nhiệt lượng q2 thì công sinh ra trong một chu trình: l0 = q, - q2. Hiệu suất nhiệt được định nghĩa bằng tỷ số giữa công sinh ra và nhiệt nhặn vào trong một chu trình, từ đó có thể thấy hiệu suất nhiệt có ý nghĩa định lượng vé mức độ biến nhiệt thành cõng trong chu trình thuận chiều. (1 -43a) (1 -43b) Chươn g 2 Q U Á TRÌN H NHIỆ T Đ Ộ N G CỦ A KH Í V À HƠ I 2.1. KHI LY TƯỚNG Chuyển động nhiệt của các phân tử được đặc trưng bởi động năng trung bình Wín của các phân tử, còn lực tác động tương hỗ giữa các phàn tử tạo nên thế nàng w,„ cùa phân tử. Đôi với chất khí ở áp suất thấp, do khoảng cách giữa các phân tử lớn nên có thể bỏ qua Wm. Với giả thiết đó, chất khí được gọi là khí lý tưỏng và tuân theo định luật hợp nhất của chất khí: pV — = const, với khôi lượng chát khí G = const. Để đặc trưng cho tính chất của khí thực và khí lý tưỏng người ta đưa ra một đại lượng không thứ nguyên gọi là độ nén Z: ' ĩ Với khí lý tưởng, độ nén z = 1, với khí thực z *• 1, và phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và tinh chất vật lý của chất khí đó. 2.2. NHIỆT DUNG RIÊNG, NỘI NĂNG VÀ ENTANPI Như đã trình bày nhiệt dung riêng, nội năng và entanpi của khí lý tưởng là một hằng số, chi phụ thuộc vào bản chất của chất khí. Đối với khí thực, các đại lượng trẽn không chỉ phụ thuộc vào bán chất mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của chất khi đó. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường, khi lý tưỏng chỉ tồn tại ỏ thể khi và không có sự chuyển pha, nghĩa là khi lý tưỏng không tồn tại ỏ pha lỏng và pha rắn. Trong chu trình của máy nhiệt, khí thực có thể tồn tại ở một trong hai pha: pha hơi, pha lỏng hoặc tổn tại đồng thời ở hai pha. Trong thực tế không có khí lý tưởng nhưng ở những điếu kiện áp suất và nhiệt độ binh thường, chúng ta có thể coi các chất khi 02, N2, không khí là khi lý tưởng mà khi tính toán không phạm phải những sai số lớn. Hơi nước là khí thực nhưng trong không khi ẩm, hơi nước có phân áp suất rất nhỏ nên trong tinh toán có thể coi không khí ẩm là hỗn hợp khí lý tưởng. 2.3. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG Phương trình trạng thái của khi lý tưởng đã tim được từ các định luật thực nghiệm về khí lý tường (cùa Boyle - Mariotte và Gay-Lussac). Từ (2 - 1) với z = 1 ta có : 35 Phương trinh trạng thài viết cho 1kg khi lý tưởng: pv = Rĩ (2 - 2) Trong đó: p - Áp suất tuyệt đối (N/m2); V - Thể tích riêng (m3/kg); R - Hằng số chất khí (J/kg.K) T - Nhiệt độ tuyệt đối (K) Với chất khí có khôi lượng G kg, sau khi nhân hai vế phương trinh với G ta có: pvG = GRT Vì vG = V( m') nên phương trinh trạng thái đối với chất khí có khối lượng G có dạng: pV = GRT (2 - 3) Khi nhân hai vế phương trình vãi kilômol ta có: pvn = ụRT Trong đó: vu = V - thể tích của một kilomol (m3/kmol); MR = RM - hằng số phổ biến của chất khí (J/kmol.K); Vậy chúng ta có phương trình trạng thái khí lý tưởng đối với 1 kmol khi lý tưởng: pVp = Rĩ (2 _ 4) Từ quan hệ ta có thể tính được giá trị Rịt như sau : pV„ T Ta biết rằng, theo định luật Avogadro1 ở điều kiện tiêu chuẩn vật lý (p = 760 mm Hg t = 0°c = 273,15°K) thể tích cửa 1 kmol khí lý tưởng V = 22,4m3. Vậy ta có: 760, „5 , 105.22.4 R" = 75273,15 =831 4 < J/kmolK ) Từ đó hằng số chất khí được xác định : „ Ru 8314 _ (J/kg . K ) ( 2 5 ) Từ phương trình trên sau khi nhân hai vế của phương trình với số kilomol của chất khi và lưu ý V M = V , ta có phương trình trạng thái đối vái M kilomol chất khí: PV = MRJ (2 _ 6 ) Avogaờro (1776-1856) Nhà vật lý Italy. 36 Bàng 2.1. Hằng số chất khí, nhiệt dung riêng dẳng áp c„ và entanpi của một số chất khí ỏ 15°c Chất khí co2 H2 Hơi nước (H20) N2 o2 Không khí SO, R(kJ/kg.K) 0,189 4,124 0,462 0,297 0,26 0,287 0.13 C„(kJ/kg.K) 0,835 14,158 1,861 1,038 0,916 1,003 0,616 i (kJ/kg) 65,34 120,4 163,4 91,44 80,3 88,29 53,04 2.4. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG c ơ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG Khi nghiên cứu các quá trình nhiệt động của khí lý tưởng chúng ta chú ý đến quá trình tổng quát nhất là quá trình đa biến, sau đó là các trường hợp đác biệt của quá trinh đa biên: quá trinh đoạn nhiệt, quá trinh đẳng nhiệt, quả trình đẳng áp và quá trình đẳng tích. Các quá trình được nghiên cứu là quá trình cân bằng hay quá trình thuận nghịch tiến hành trong điều kiện không có tổn thất năng lượng, có thể xảy ra trong hệ thống kín hay hở. Nội dung nghiên cứu của các quá trình bao gốm: thiết lập phương trinh của quá trinh, quan hệ giữa các thông số khi thay đổi trạng thái, tinh toán công và nhiệt, biểu diễn các quá trình trên đó thị p - V, T - s. 2.4.1. Quá trình đa biến Quá trình đa biến là quá trình tiến hành trong diếu kiện nhiệt dung riêng không đổi c„ = const, trong quá trinh các thông số có thể thay đổi và hệ có thể trao đổi công và nhiệt với môi trường. Để thiết lập phương trinh của quá trình đa biến, ta giả thiết trong quá trình đa biến, chất mõi giới trao đổi năng lượng với môi trường. Từ cách tính nhiệt theo nhiệt dung riêng dq = C„dT và từ các phương trình nhiệt động 1 của hệ kín và hệ hở đối với khí lý tưởng chúng ta có: dq = CpdT - vdp = C„dT dq = C„dT + pdv = C„dT c„: Nhiệt dung riêng của quá trình đa biến (Cn-C„)dT = -vdp (C„-Cv)dT = pdv Chia cả hai vế của hai phương trình trên cho nhau: cn -Cp _ -vdp cn - cv ~ pdv Gọi n là chỉ số đa biến: c -C Vì c„, Cp ,CV: đều là hằng sô nên n = cosnt và ta có: 37 -vdp d/„ n = — - —— pdv di npdv + vdp = 0 dv dp - n— + — = 0 V p Tích phân phương trinh trên ta được phương trinh của quá trình đa biến : Inv" + Inp = const pv"= const (2 - 8) Viết phương trình của quá trinh đa biến cho trạng thái đầu và cuối ta có biểu thức quan hệ giữa áp suất và thể tích riêng : P.-Í M v à ViJp. r (2 - 9a) Viết phương trinh trạng thái cho quá trinh 1-2 : p,v, = Rĩ,; P ỉv; = RT, Thay vào phương trinh (2 - 9a) ta có quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất với thể tích riêng : ỉ ,{p j "[vi (2 - 9b) Xác định biến thiên nội năng và entanpi của khi lý tưởng: Như đã biết, đối với khí lý tưởng ta có quan hệ : du = CvdT; di = CpdT. Vi Cv = cosnt; Cp= const nên biến thiên nội năng và entanpi trong quá trình đa biến sẽ là : Au = u2 - u, = c„(t2- t,) Ai= i 2 - i, = cp(t2-t,) Công thức trên đúng với mọi quá trình của khí lý tưởng. Trong quá trình đẳng nhiệt, vì t2= t, nên Au = 0; Ai = 0. - Công thay đổi thể tích : / = jpdv Từ phương trình của quá trinh đa biến pv" = p,v," -> p = thay vào biểu thức tính cõng J vn 38 / =-í-(p1 v,-p2 v2 ) (J/Kg) n -1 / =-5_(T1-Tí) = -5L-íl-Ì n -r 1 2 n-1 T, Thế (2-9b) vào biểu thức trẽn ta có : (2 - 10) (2-1 la) 1-1 Si - Công kỹ thuật: Rĩ, n-1 (2-11b) (2-11C) Từ phương trình của quá trình đa biến : pv" = const Logarit hai vế ta có : Inp + nlnv = const Lấy vi phân được : dp dv - —+ n—-=0 p V -vdp = npdv d/k, = nd/ lM=n/ '«= ^3j(Pi vi-P2 v2 ) (kJ/kg) - Nhiệt trao đổi với môi trường: q = Cn(T2-T,) (kJ/kg) Q = G.q = G.C„(T2-T,)(kJ) - Biến thiên Entropi theo định nghĩa : T " T As = c„ln-^ (kJ/kg.K) ds =d uí Pd v_c»d T +Pd v T ĩ 39 (2-12) (2- 13a) (2- 13b) (2-14) Từ phương trình trạng thái khi lý tưỏng : p _ R pv = RĩT V d s = c * I + R^ T V T V As = s2 -s, = C.ln-^ + Rln^ì T, V, 2.4.2. Các trường hợp riêng của quá trinh da biến (2 - 15) Trên cơ sờ kết quả nghiên cứu quá trình đa biến ta có thể lập bảng 2.2 cho các quá trinh đảng tích, đẳng áp, đảng nhiệt và đoạn nhiệt. Bảng 2.2. Công thức tính toán các quá trinh nhiệt động cơ bản Đẳng tích V = const Đẳng áp p = const Đẳng nhiệt T = const Đoạn nhiệt pv* = const q = 0 Đa biến pv" = const c„ = const n *« 0 1 k n L c„ c c. í K 0 c ndì V, 1 T2 Xi T, T2 ' Pỵ p2 p 1 T í • n-1 Ri p, T, 1 V, v2 <^= - T, h p, V, 1 Pl v2 (EL,V =(íi r Pl v ; Rĩ, 1,2 0 Pi(V2 -V,) RTIn £i p2 k-1 RT, n-1 1-^j V" l Pi ì % C,(T,-T,) CP(T2-TJ T(s2-S,) 0 C„{T,-T.) C,(T2-T,)+ ịpdv Ki 12 V(P1 - p2) 0 'lí w„ n/,2 1 ỉ, - s, c In Ì T, c In i T, . Ì Rin Bĩ p2 0 c„lni T, Đon vị: p (Wrf) ; V (m>Ag) ; R ụ/kg.K) ; T(K); c. (Mg.K) ; Cp(J/kg.K>; c„ (Mkg.K); I + oolà quá trình tổng quát, các quá trình nhiệt động cơ bản khác chỉ là trường hợp riêng của nó. Từ phương trình pv" = const, khi n thay đổi ta có kết quả sau: - Khi n = 0 là quá trình đẳng áp với nhiệt dung riêng Cp, phương trinh của quá trình: pv° = const -> ọ = const - Khi n = 1 là quá trinh đẳng nhiệt với nhiệt dung riêng CT = X, phương trinh của quá trình: pv1 = const = RT -> T = const. - Khi n = k là quá trình đoạn nhiệt với nhiệt dung riêng ck = ũ, phương trinh của quá trinh: pv" = const. - Khi n = ±x là quá trình đẳng tích với nhiệt dung riêng c„, phương trình của quá trinh: pv' = const -> p* V = const -> V = const 43 Quá trinh da biến bất kỳ với n = -X -> «c trên đồ thị p - V, T - s dược biểu diễn trên hình 2 5b. Công thay đổi thể tích, nhiệt, biến đổi nội năng của quá trinh nhiệt dộng được xét trên dó thị p V và T - s hình 2 5b như sau : Khi thể tích tăng. công mang dâu dương và ngược lại. Vậy / > 0 khi quá trinh tiến hành vé phía bên phải đường đảng tích và ngược lại. Khi nhiệt độ tàng, nhiệt cùa quá trình sẽ có dấu dương và ngược lại. Vậy q > 0 khi quá trình tiên hành vé phía bên trên đường đoạn nhiệt và ngược lại. - Khi nhiệt độ tăng, biên đổi nội nâng sẽ mang dấu dương và ngược lại. Vậy AU > 0 khi quá trình tiến hành vế phía trên đường dẳng nhiệt và ngược lại. 2.5. QUÁ TRÌNH NÉN KHÍ VÀ HƠI 2.5.1. Khái niệm về máy nén khí Máy nén là thiết bị nhận công bên ngoài để thực hiện quá trình nén làm tăng áp suất chát môi giới. Chất môi giới có thể là chất khí/hơi hoặc chất lỏng. Thiết bị để thực hiện quá trinh nén khí/hơi được gọi là máy nén. Khi bị nén, thể tích của chất lỏng không thay đổi vì vậy thiết bị thực hiện quá trình nén và vãn chuyển chất lỏng được gọi là bơm. Đặc tính làm việc cùa máy nén dược thể hiện bằng hai thông số sau: - Tỷ số nén: TI = — Pi Trong đó: p, Áp suất tuyệt đối trước khi nén. p? - Áp suất tuyệt đối sau khi nén. Nếu p, bằng áp suất khi quyển (1 bar) thi máy nén đươc phàn loại theo giá trị của JI như sau: ít = 1,0*1,3: quạt. TI = 1,3 4 3,0: bơm gió. n = 3,0 410,0: máy nén áp suất thấp. !ĩ = 10,0 + 100,0: máy nén áp suất trung binh. ì = 100,0 4 500,0 : máy nén áp suất cao. - Năng suất máy nén là lưu lưdng thể tích khi nén ỏ áp suất p2 được đẩy đến noitiêu thụ hoặc lưu lượng khí được hút vào máy nén ờ áp suất p, trong thời gian một giở (m3/h). 2.5.2. Phân loại máy nén Theo nguyên lý làm việc, máy nén được chia làm hai loại: 44 1. Máy nén tĩnh: là loại máy nén nhận công bên ngoài thực hiện quá trình nén thể tích khí cố định đến áp suất cán thiết, về mặt kỹ thuật, máy nén tĩnh có thể chia làm 2 loại: - Máy nén gián đoạn kiểu piston thực hiện quá trình hút và nén từng thể tích khí nhất định đến áp suất p, cắn thiết. - Máy nén liên tục kiểu Roto thực hiện quá trinh nạp liên tục chất khi vào thể tích cố định để tăng áp suất (hình 2.6). Bảng 2.3. Máy nén tĩnh kiểu Roto (Bơm gió - air blovver) (Bơm gió) Điều kiện vận hành Lưu lưỡng đẩu Máy nén kiểu Roto hút(mVh) Độ chênh áp suất Áp = p; - p, (bar) DELTA BLOVVER (Đức) ROBUSCHI p, = 1,0 ban t, =20°c t2m„ = 140°c p = 1,2kg/m3 p, =1,0 bai-, t, =20°c 40 * 8500 0,3 4- 1,0 bar (71 = 1,3 + 2,0) (Ỷ) t2m„ =150°c, p = 1,2kg/mJ 300+ 1500 0,3 * 1,0 bar (71 = 1,3 + 2,0) p, = 1,0 bar, SHOWFOU (Đài Loan) t, = 20°c p = 1,2kg/m3 36 -? 6500 0,8+ 1,0 bar (71 = 1,8 + 2,0) Khi bị nén, thể tích của khối khisẽ giảm do dó mật độ phân lử trong đơn vị thể tích tăng, dẫn đến áp suấttĩnh tác dụng lên thành bình sẽ tăng. Đặc điểm của hai loại máy nén tĩnh là năng suất máy nén không lớn do sự hạn chế của thể tích nén, nhưng áp suất của cuối quá trình nén có thể rất cao đối vối loại máy nén piston nhiều cấp. Bảng 2.3 cho biết thông số kỹ thuật của máy nén tĩnh kiểu Roto - Bơm gió. Mảy nén kiểu Roto có tỷ số nén n = 1,3 + 2,0 và lưu lượng phù hợp cho các ứng dụng sau: - Cấp khi nén cho các quá trình kỹ thuật, xử lý nước thải... - Vận chuyển vật liệu rời. - Cấp khí nén cho các máy công cụ, máy làm sạch... Các máy nén kiểu Roto còn được sử dụng để tạo độ chân không đến 0,7 bar cho mục đích hút các vặt liệu nhẹ trong quá trinh vận chuyển. 45 Hình 2.6. Quá trinh làm việc của máy nén khí kiêu Roto Hình 2.7. Quá trình làm việc của máy nén hơi kiểu Scroll Trong máy lạnh tỷ số nén của máy nén 1 cấp n = 3 i 5. khi lưu lượng hút của máy nén đơn từ 5 : 90 m3/h người ta thường sử dụng loại máy nén tĩnh kiểu Piston hoặc máy nén Scroll. Ở phạm vi cóng suất lạnh lớn hơn thường sử máy nén ly tâm có tỷ số nén thấp hơn. Máy nén Scroll là loại máy nén tĩnh kiểu hướng trục. Trong quá trinh nén. 2 vòng nén kiểu cuộn giấy sẽ chuyến động lệch tâm thực hiện quá trinh hút - nén và đẩy khi nén theo hướng trục Máy nén Scroll thường được sử dụng trong các máy lạnh vừa và nhỏ. Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật của một số máy nén lạnh trong điều hoa không khí Máy nén lạnh 1 cấp Thê tích hút (mVh) Kiểu Piston R22 -1 Xilanh Điếu kiện vận hành tiêu chuẩn (ARI standard Conditions) Tỳ số nén ì = Pc/p. (Daníoss) 5,2+ 11,8 t0 = 7,2°c, p„ = 6,2bar t0 = 7,2°c, p„ = 6,2bar tc=54,4°c, Pe = 21,5bar TI = 3.47 Kiểu Scroll R22 (Daníoss) 19,9 + 43,5 tc=54,4°c, Pe = 21,5bar TI = 3.47 (Daníoss) 120 4 360 t0 = 5 °c, p0= 5,8 bar Máy nén trục vít - R22 t,= 55°c, pc = 21,7bar 71 = 3.74 (USA) 280 -: 5350 t0 = 6,1°c, p0=3,5bar Máy nén ly tâm - R134a t~=35°c, p~=7,8bar rt = 2.23 Ghi chú : t0 - Nhiệt độ bay hai, tc - Nhiệt độ ngưng. 46 2. Máy nén dộng a) Khái niệm máy nén ly tàm: Đặc điểm của máy nén ly tâm và hướng trục là sản xuất khi nén một cách liên tục. Dưới tác dụng của lực ly tâm, chất khi lưu động một cách liên tục trong các rãnh của dĩa nén ly tâm, khi ra khỏi đỉa nén, động năng của chất khí biến thành thế nàng trong ống tăng áp. Như vậy khi nén động, quá trinh nén khi xảy ra đống thời với quá trinh lưu động và luôn có sự biến đổi động năng của dòng khí thành thế năng áp suất. Hình 2.8. Máy nén ly tâm Máy nén ly tăm một cấp (hình 2.8) có những bộ phận cơ bàn sau: ống hút 1, dĩa nén ly tâm 2 gắn liền vài trục 3, ống khuếch tán 4 và thân máy 5 . Khi chất khí đi vào ống hút của đĩa nén ly tâm, dưới tác dụng của lực ly tâm, chất khí lưu động tăng tốc qua các rãnh của đĩa nén ly tâm sau đó được nén ỏ ống khuếch tán. Ở đấu hút của đĩa nén ly tâm, chất khi trờ nên loãng hơn (chân không) tạo điểu kiện cho khí mới ỏ áp suất thấp liên tục đi vào ống hút. Lực ly tâm làm tăng động năng của chất khí trong quá trình lưu động, khi đi vào ống khuếch tán sẽ biến thành thế năng áp suất. Trong máy nén ly tâm, áp suất của khí khi đi ra khỏi ống tăng áp của máy nén tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ quay của đĩa công tác. Vì vậy, muốn nén khi đến áp suất cao trong mảy ly tâm một cấp cẩn có số vòng quay lớn hoặc tăng đường kính của đĩa công tác. Trong máy nén nhiều cấp, có nhiều đĩa công tác nốitiếp nhau, giữa hai đĩa công tác có cánh hướng gắn trẽn bánh tĩnh. b) Khái niệm máy nén hưởng trục: Máy nén/quạt hướng trục có nguyên tắc làm việc giống máy nén ly tâm, chì khác là dòng hơi đi dọc trục. Hình 2.9 là sơ đổ cấu tạo của quạt hướng trục: Bao gồm phấn cánh dẫn hướng, cánh quạt hướng trục, động cơ điện và phần vỏ. Giả sử ỏ cửa vào của máy nén có thông sô p,, t,, í,, V, và co,, còn ở cửa ra có thông sô là p2 t2t. ia. V21 và U)21; giữa cửa vào và cửa ra của máy nén, chất khi nhận một công /, và thải lượng nhiệt q, (trong q, không có lượng nhiệt do ma sát gây ra). 47 Động cơ 2 Cánh quát hưởng trục -Cánh dẫn hướng Phương trinh cơ bản đối với dòng khí: 2 2 lo, . V)2l í, + Y + q< " '' + 2 Hình 2.9. Máy nén hướng trục (2-16) Công thực tế cung cấp cho máy nén dể nhận được 1 kg khi nén sẽ bằng : /- Ị ,0)1 Ù), . (2 - 17) Nếu tốc độ của chất khi ở cửa vào và cửa ra cùa máy nén thay đổi không nhiêu thi ta có công thức: (2 - 18) Mặt khác, phương trình định luật nhiệt động thứ nhất đối với chất khí chuyển động có dạng (1-42b): q, = ij, - i, - |vdp (2 - 19) Thay vào phương trinh (2- 18), ta có cõng toàn phán cung cấp cho máy nén ly tâm và hướng trục sẽ là công kỹ thuật: P; /, = - Ịvdp (2 _ 20) p, Do đó, công trong các loại máy nén ly tâm và hướng trục được tính như nhau. 2.6. MÁY NÉN PISTON MỘT CẤP LÝ TƯỞNG 2.6.1. Các quá trinh trong máy nén Piston một cấp lý tường Máy nén Piston một cấp bao gậm các bộ phận chinh: Xilanh, piston, van nạp và van xả. Máy nén Piston thường được dần động bằng động cơ điện hoặc động cơ đốt trong. 48 Ở điếu kiện lý tưởng, píston có thể dịch chuyển tới sát nắp xilanh, vi vảy có thể bỏ qua ảnh hưởng của thể tích thừa. Quá trinh làm việc của máy nén Piston: 4-1 : Quá trình nạp khi vào xilanh: Piston dịch chuyển từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưối (ĐCD), van nạp khí mà, các thông số V, T của chất khí nạp vào xilanh thay đổi. Tuy nhiên trong tinh toán, quá trinh 4 - 1 được xem là quá trình cấp nhiệt đẳng áp cho 1 kg khí. 1-2: Quá trinh nén khi: Piston dịch chuyển từ ĐCD đến ĐCT, khi đến điểm 2, van xả mỏ, piston thực hiện quá trinh đẩy khi 2-3 đến nơi tiêu thụ. Công thay đổi thể tích của quá trình được xác định như sau: '41 = P4(vc-Va) = diện tích 41ca > 0 '12 Iv diện tích 12bc < 0 /23 = p3(v3 - v2) = diện tích 23ab < 0 Công tiêu tốn trong máy nén bằng tổng đại số công thay đổi thể tích các quá trinh trên và có thể tinh bằng công kỹ thuật quá trinh nén khí 1-2: (2-21) Hình 2.11 biểu diễn các quá trình nén khí đẳng nhiệt và đoạn nhiệt trên đồ thị p - V. Trong điều kiện máy nén được làm mát tốt thi quá trình nén khí đẳng nhiệt sẽ tiêu tốn công ít hơn quá trình nén đoạn nhiệt: diện tích 12b34 < diện tích 12a34. p 3 2 Nén đoạn nhiệt q =0 I - Xi lanh li - Van xả HI - Van nạp IV - Piston Nén đảng nhièt T =const ,1 V Hình 2.10 Hình 2.11 Máy nén Piston một cấp không có thể tích thừa Quá trình nén trên đồ thị p - V 4-GT...Kĩ 49 2.6.2. Công tiêu tốn trong máy nén Piston một cấp lý tuông Đối với máy nén là hệ hò nên công tiêu tốn trong máy nén có thể tinh bằng công kỹ thuật của quá trinh 12: Lm„=LM12=-Ịvdp=-Gfvdp i ì Lm„ =nL,j =nGjpdv Trong dó : n - số mũ đa biến L - công thay đổi thể tích của quá trinh 12 Trong quá trinh nén dẳng nhiệt n = 1, Lmn = LM,J = L,2: 2 L m n=L, 2 =Gjpdv Lmn = Gp,v,ln — = GRT.In — (2 - 22) p, (2 23) Trong quá trình nén đa biên, Lmn = Lkll 2 = nL12: m" n -1 Pi (2- 24a) Lm„ = —GRT, (2- 24b) Trong dó: Lm„ =-^-p,V, n-1 1-(^) V" Pi G - Lưu lượng khối lượng (kg/s). V, - Lưu lượng thể tích khi hút vào xilanh (m3/s). Lm„ - Công nén lý thuyết (kW). 2.7. MÁY NẾN PISTON MỘT CẤP THấC 2.7.1. Ảnh hưởng của thể tích thừa Trong thực tế, để tránh va đập giữa piston và xilanh, giữa đỉnh piston và nắp xilanh còn một khoảng hờ nhất định tạo nên thể tích thừa V,. Do có thể tích thừa nên sau khi đẩy khí nén vào binh chứa bao giò cũng còn lại một lượng khí nén ở áp suất p2, khi piston dịch chuyển từ trái sang phải, đấu tiên là khi nén trong thể tích thừa dãn nở theo quá trinh 3 - 4 và sau đó khi từ ngoài mới được hút vào xilanh theo quá trình 4 - 1. Vì vậy thể tích làm việc thực tế V sẽ nhỏ hơn thể tích hành trình của piston vh. 50 Để xét ảnh hưởng cựa thể tích thừa tới lượng khí hút vào máy nén, người ta đưa ra khái niệm hiệu suất thể tích, ký hiệu là X, và chứng minh được công thức (2-25b). x<=ệ- (2-258) Trong đó: V - Thể tích hút thực. v„ - Thể tích tương ứng với một hành trinh của piston. X, =1-c(ít" - í) (2 - 25b) Trong đó: c = ự- - Hệ số thể tích thừa, c = 3 - 10% Pi số mũ đa biến n = 1 + k Từ biểu thức trên nhận thấy, XỊ giảm (tức lượng khí hút thực giảm) khi hệ số thể tích thừa c tăng, tỷ số nén TI tăng. Ngoài ra, ta thấy xt= 0 (tức V = 0) khi: 1-c(>t"-1) = 0 Vậy để máy nén có thể hút được một lượng khí nhất định thì phải có tỳ số nén n < ít * Hình 2.12. Đồ thị p - V máy nén Piston một cấp thực 2.7.2. Công của máy nén Piston một cấp thực Người ta chứng minh được rằng, biểu thức tính công cho máy nén thực hoàn toàn giống các biểu thức tính cõng cho máy nén lý thuyết với chú ý rằng ở đây vh = V (lưu lượng thể tích thực) còn G(kg/s) là lưu lượng khối lượng trong máy nén thực. 2.7.3. Nhiệt trong quá trình nén Khi giả thuyết quá trinh nén là quá trình đa biến với số mũ n và với 1 kg khi nạp vào xilanh nhiệt trong quá trinh nén sẽ là: 51 2„ 2 k • a b c Hình 2.13. Các quá trinh nén trẽn đố thị T-s q„=en(T2-T,) = CnT,(ệ--1) (2-26a) 'ì qn =C„T,(n » -1) (2-26b) Trẽn đố thị 2.13, q„ bằng diện tích hĩnh c12„b 1-2k: Quá trinh nén đoạn nhiệt. 1-2n: Quá trinh nén da biến. 1-2T: Quá trình nén đẳng nhiệt. Trong biểu thức trên, c„ là nhiệt dung riêng của quá trinh đa biến: n-k c„ =c • n-1 Với quá trình đa biến 11 nên suy ra q„<0. Vì vậy trong quá Pi trình nén, chất khí phải được làm mát. Trên hình 2.13, diện tích 12|3C > 12„bc, có nghĩa là trong quá trình nén đẳng nhiệt chất khi phải được làm mát nhiêu hơn quá trinh đa biến. 2.8. MÀY NÉN PISTON NHIÊU CÁP Trong máy nén Piston một cấp, việc tăng áp suất cuối p2 bị hạn chế do ảnh hưởng của thể tích thừa, hơn nữa nhiệt độ cuối quá trình nén T2 cũng bị hạn chế bồi nhiệt độ làm việc của dấu bôi trơn. Ở máy nén khí một cấp thông thưởng TI = 6 T 8. Đế đạt áp suất cao hơn phải sử dụng máy nén nhiều cấp có làm mát trung gian để giảm nhiệt độ trước khi vào cấp nén tiếp theo. T2 =Const Hình 2.15. Đó thị T - s máy nén hai cấp lý tưởng 52 Hình 2.14. Đồ thị p - V máy nén hai cấp lý tưởng B Hình 2.16. Sơ đố máy nén Piston hai cấp có làm mát trung gian 2.8.1. Các quá trình trong máy nén Piston hai cấp lý tưởng Trong sơ đồ cấu tạo máy nén hai cấp chi ra trên hình 2.16 : I, li - máy nén cấp I, cấp li. B - Bình làm mát trung gian. c - Bình chứa khi nén. Các quá trình của máy nén Piston hai cấp biểu diễn trên hình 2.14 bao gồm: a - 1 : Quá trinh hút khí ỏ cấp I; 1 - 2 : Quá trình nén khí ở cấp I; 2 - 3 : Quá trình làm mát trung gian; 3 - 4 : Quá trình nén khi ở cấp li; 4 - b : Quá trình đấy khí vào bình chứa; Quá trình làm mát trung gian thực hiện ở áp suất không đổi và nhiệt độ ra khỏi binh làm mát trụng gian bằng nhiệt độ vào máy nén cấp I: T3 = Ty Làm mát trung gian không chỉ có lợi cho việc giảm nhiệt độ cuối quá trình nén mà còn giảm được công tiêu hao máy nén (bằng diện tích hình 24 432). 2.8.2. Tỷ số nén của các cấp Việc chọn tỷ số nén trong các cấp phải dựa vào điều kiện làm sao để công tiêu hao của máy nén nhiều cấp sẽ nhỏ nhất. Công của máy nén nhiều cấp bằng tổng công của các cấp với máy nén 2 cấp ta có: Ln = /, +/,; fj/kg) Giả thiết số mũ đa biến của quá trình nén n có giá trị như nhau trong các cấp nén, nhiệt đô vào của các cấp nén như nhau T, = T3 và ĩ2 = T4. Để công tiêu hao trong máy nén 2 cấp là nhỏ nhất người ta đã chứng minh được : Tổng quát, nếu máy nén có m cấp và khi ký hiệu p, là áp suất đấu; pc là áp suất cuối, ta có 53 J £ (2-27) Từ đó ta có : Áp suất CUỐI ở cấp I : p2 = tPi Áp suất cuối ờ cấp li : p4 = Jtp3 = 7tp2 = 7t2p, Nhiệt độ của các cấp : Tj = T„ = ... = 7> " (2-28) 2.8.3. Công của máy nén nhiều cấp Nếu máy nén có m cấp nén, công của máy nén có nhiêu cấp sê là: /„„ = /,+/„+...+/„, Vi chọn nhiệt độ vào của các cấp như nhau (T, = T3 =...), với giả thiết số mũ da biến n cùa quá trinh nén trong các cấp như nhau (n, = n2 =...= n), nên công của máy nén nhiều cấp được tinh như sau: / =m./, =— RT,(1-JI" ) (2-29) n i 2.8.4. Nhiệt toa ra trong các cấp nén và trong quá trình làm mát trung gian Khi cùng số mũ đa biến n và tỷ số nén như nhau, nhiệt sinh ra trong quá trình nén ờ mỗi cấp sẽ bằng nhau: q„, =q„„ = qnm = CJ,(n " -1) (2-30) Trong các bình làm mát trung gian, nhiệt độ ra và vào các cấp như nhau nên nhiệt toa ra trong quá trình làm mát đẳng áp sẽ là : q,=q„=. =qm=-Cp(T2-T,) (2_31) 2.9. QUÁ TRÌNH LƯU ĐỘNG CỦA KHÍ VÀ HƠI 2.9.1. Một số khái niệm và công thức cơ bản Đội với dòng khí chuyển đông với tốc độ lớn thi ngoài các thõng số p, V, T đã nghiên cứu ta còn phải chú ý thêm các thông số nữa là tốc độ và lưu lượng của dòng khi. Các giả thiết khi nghiên cứu quá trình lưu động 1 Quá trình lưu động đươc coi là quả trình đoạn nhiệt thuận nghịch. 2 Dòng môi chất chuyển động liên tục. ổn định với vặn tốc coi là phân bố đều à mồi tiết diên. Điều đó dược thể hiện trong phương trinh liên tục ổn định: ÍĨV _ t... X w (2 - 32) G = p.í.uì = f. - = const (kg/s) 54 G = p,.f,.u>, = p2.f2.u>2 = const Ở đây G - Lưu lượng khối lượng (kg/s) f - Diện tích tiết diện của ống (m2) lo - Vận tốc của dòng khí (m/s) p, V - Khối lượng riêng và thể tích riêng của chất khí (kg/m3),(m3/kg) 3. Toàn bộ công kỹ thuật chì làm thay đổi động năng của dòng: 2.9.2. Tốc độ âm thanh (2 - 33) - Tốc độ lan truyền âm thanh (sự chấn động nhỏ) trong một môi trường khi và hơi theo khí động học: a = Vdp/dp (2 - 34a) Đối với khí lý tưởng a - Vk-P-V - vk.R.T (2 _ 34b ) a - Tốc độ âm thanh phụ thuộc bản chất và thông số của trạng thái của chất khi. - Trị số mắc (Mách) Ma là tỷ số: Ma = - (2 - 35) a Trong đó: Oi - Tốc độ của dòng lưu động, (m/s). a - Tốc độ lan truyền sóng âm thanh ở cùng tiết diện, (m/s). - Nếu Ma < 1, co < a: dòng lưu động dưới tốc độ âm thanh. - Nếu Ma = 1, to = a: dòng lưu động bằng tốc độ âm thanh. - Nếu Ma > 1, 0) > a: dòng lưu động vượt tốc độ âm thanh (dòng siêu âm). 2.9.3. Quan hệ giữa tốc độ và áp suất của dòng So sánh hai dạng của định luật nhiệt động thứ nhất (1 - 37b) và (1 -'39b): dq = di - vdp và dq = di + -í - = di + todco Ta được: U)d(0 = - vdp ->d1, deo và dí cùng dấu, nếu du (+). tốc độ tăng thi dí cũng (+), tức là tiết diện cũng tăng. Đối với chất khi và hơi. muốn biết là ông tăng tốc hay tăng áp không chỉ nhìn vào hình dạng của ống mà còn phải chú ý đến tốc độ của dòng khi vào ống là lớn hay nhỏ hơn tốc độ âm thanh. f, í b) Ông tâng tóc lớn dán Ma si Ma >1 u C0j > a p2 a ngườ! ta ghép ông tăng tốc nhỏ dần vối ống tâng tốc lòn dấn tạo thành ống tăng tốc hỗn hóp 56 hay ống Laval. Với ống Laval dòng khí khi vào ông có tốc độ nhỏ hơn tốc độ âm thanh nhưng khi ra có tốc độ lớn hơn tốc độ âm thanh (hình 2.17c). 2.9.5. Xác định tốc độ của dòng khí tại cửa ra của ống tăng tốc Công thức chung đối với dòng lưu động đoạn nhiệt dq = 0 và -vdp = d/k|, từ đó ta có: di = d/„, = d 7 2 • i, - i, = /„, = 1 ' Do co, « MỊ nên có thể bỏ qua ũìị và có thể viết: «:• - v2('- hì = Mi Đối với hơi nước có thế sử dụng đó thị i - s để xác định í, và i2 từ đó có ư2 = V2<'i - y ( m/s ) Trong công thức trên í có đơn vị là J/kg. Đối với khí lý tưởng, công kỹ thuật được tinh như sau: Pi 2-—p,v, k~1 1 1 ở đây: co (m/s); R (J/kg.K); p,, p2 (N/m2). (2 - 38) (2 - 39) (2 - 40) (2-41) Ta thấy (02 phụ thuộc vào trạng thái đầu (p,, V,), bản chất của chất môi giới và tỷ sô — khi p, — = 1 thì co, = 0, nếu — giảm thì (I)2 tăng. ở đây p2 là áp suất của môi chất ờ tiết diện cuối cùng p, p, của ống tăng tốc, không phải là áp suất của môi trường sau ống tăng tốc. Đối với khi lý tưởng p2 giảm đến giá trị tới hạn pk thì tốc độ dòng khí bằng tốc độ âm thanh I0k = a (hình 2.18). Giá trị của p phụ thuộc vào số mũ đoạn nhiệt và được xác định như sau: 2 k + 1 (2 - 42) Lưu lượng của dóng khí tại tiết diện ra f2 của ống tăng tốc: G = í^ì (kg/s) V, 57 OXnut) . 0 1 ị Hình 2.18. Tốc độ dóng khí trong ống tăng tốc nhỏ dần 2.9.6. Ông tăng tốc trong kỹ thuật thông gió Trong hệ thống thông gió, để có thể cung cấp không khí ở khoảng cách đến 30m phải sử dụng ông tăng tốc có dạng nhỏ dần, cấu tạo như hình 2.19 và các thông số kỹ thuật cho trong hình 2.20. 0d 0D L I25 360 313 160 360 212 200 360 99 Hình 2.19. Ống tăng tốc nhỏ dẩn trong kỹ thuật thông gió 400 600 1000 2000 3000 L (m3/h) Hình 2.20. Tổn thất áp suất và lưu lượng qua ống tăng tốc nhổ dần Vận tốc ra khỏi ống tăng tốc co = 10 -ỉ- 25 m/s 2.10. QUÁ TRÌNH TIẾT LƯU 2.10.1. Đặc điểm của quá trình tiết lưu Tiết lưu là quá trình dòng chất môi giới lưu động qua tiết diện co hẹp, ví dụ như chất lỏng, chất khí qua van chặn trên đường ống, hoặc MCL qua van giảm áp trong máy lạnh... Sau quá trinh tiết lưu ta thấy áp suất của chất môi giới giảm xuống nhưng không sinh công. sở dĩ áp suất sau tiết lưu giảm xuống là do trỏ lực ma sát cục bộ tại tiết diện co hẹp và trỏ lực của dòng chảy ngược phát sinh ở vùng áp suất thấp sau tiết diện co hẹp. Độ giảm áp suất qua tiết lưu phụ thuộc vào tốc độ của dòng và mức độ co hẹp tiết diện. Khi tốc độ tăng, diện tích co hẹp càng nhiêu thì áp suất sau tiết lưu càng giảm nhiều. Tiết lưu là quá trình xảy ra rất nhanh nên có thể xem là quá trình đoạn nhiệt không thuận nghịch. Đế xét đặc điểm của quá trinh tiết lưu có thể sử dụng phương trình định luật 1 viết cho dòng khí: dq =di + d(y) dq = di + d/„ 59 Tiết lưu là quá trinh không thực hiện cóng kỹ thuật di., = 0. tốc đó dòng khi trước và sau tiết lưu gán như không thay đổi nén dị ị Ị = 0 và là quá trình đoan nhiệt nên dq = 0 từ đó ta có di = 0 hay i2 = i, (2 43> Từ biểu thức (2 43) có thế thấy tiết lưu là quá trinh có Entanpi trước và sau tiết lưu không thay đổi vi vây người ta có thể xem quá trình tiết lưu là quá trình đằng Entanpi. Trẽn đó thị. quá trinh tiết lưu là qua trinh không thuận nghịch nén thường biểu diễn bằng đường nét đút. quá trinh 3-4 trên hình 2.22. p,, co, Ap = p,-P? Hình 2.21. Quá trình tiết lưu 2.10.2. Hiệu ứng Jun - Tomson (cloule - Thomson1) Năm 1852, Jun - Tomson thiết lặp quan hệ giữa sự thay đổi áp suất và nhiệt độ qua quá trinh tiết lưu như sau: dĩ = a dp (2 - 44) a - Hệ sô của hiệu ứng Jun - Tomson Qua tiết lưu, áp suất giảm nên dp < 0. vi vảy tuy theo giá trị a, nhiệt đô sau tiết lưu có thể giảm và có thể tăng. 1 William Thomson (Lord Kelvint 60 Từ phương trinh vi phân Entanpi có thể xác định được a theo biểu thức: (2-45) dĩ = 0 , T T2 khi a = 0("V T = V cb (2 - 46) Đối với những chất khí phù hợp với phương trình trạng thái Vander Waals 6,76 T nhiệt độ tới hạn Phẩn lãn các chất hơi có nhiệt độ tới hạn TTh tương đối cao nên nhiệt độ chuyển biến Tcb rất cao. Do vậy trong điều kiện bình thường, chất khí sau tiết lưu: a) Khi T, < Tcb thì nhiệt độ sẽ giảm xuống. b) Khi T, = Tcb thì nhiệt độ không đổi. c) Khi T, > Tcb thì nhiệt độ sẽ tăng lên. 2.10.3. Quá trình tiết lưu của chất lỏng ỏ nhiệt độ bão hoa Quá trình tiết lưu gắn liền với sự giảm áp suất và lưu lượng nên thường được ứng dụng để điều chỉnh áp lực dòng chất khi, chất lỏng, điếu chỉnh năng suất máy bơm, máy nén... Trong kỹ thuật lạnh, quá trinh tiết lưu được ứng dụng trong van giảm áp để hạ áp suất và nhiệt độ bão hoa MCL trước khi đi vào thiết bị bay hơi. Như vậy trong quá trình tiết lưu 3-4, MCL lỏng (điểm 3) sẽ trở thành hơi bão hoa ẩm (điểm 4) có nhiệt độ t, thấp hơn nhiệt độ mõi trường và tiếp tục quá trinh nhận nhiệt đẳng áp để trỏ thành hơi bão hoa khô trong thiết bị bay hơi, quá trinh 4 - 1 trên hình 2.22. Igp Hình 2.22. Quá trình tiết lưu của MCL trẽn đồ thị Igp - i 61 Bàng 2.5. Thõng số quá trinh tiết lưu MCL R134a trong máy lạnh Thông số trước tiết lưu (MCL lỏng) Thông số sau tiết lưu (MCL bão hoa ẩm) p3 = 7,7 + 13,2 bar p, = 1.3 -i- 2,9 bar tj = 30 + 50 °c t4 = -20^0°C Hình 2.23 là mặt cắt van tiết lưu bầu nhiệt kiểu TE - R404A/R507, độ giảm áp qua van Áp = 2 4 16 bar, nhiệt độ bay hơi MCL t = -40°c + 10°c. l i l i Hình 2.23. Van tiết lưu báu nhiệt kiểu TE - R404A/R507 1 - Màng dãn nỏ nối với bấu nhiệt. 2 - Ông tiết lưu (chọn theo cõng suất lạnh). 3 - Thân van. 4 - Vít điều chình độ quá nhiệt MCL 5 - Bầu nhiệt chứa chất lỏng dãn nở nhiệt. 62 Chươn g 3 C H U TRÌN H CỦ A CHẤ T KH Í 3.1. KHÁI NIỆM CO BẢN 3.1.1. Chu trình nhiệt động Trong các máy nhiệt là hệ thống kín, khi thực hiện quá trinh biến đổi giữa nhiệt và công, vi kích thước có hạn nên chất môi giới phải làm việc tuần hoàn theo các quá trinh nhiệt động khép kín được gọi là chu trình nhiệt động. Trong thực tế, chất môi giới trong động cơ nhiệt không phải là một lượng khi cố định, do phải thực hiện liên tục các quá trình đốt cháy nhiên liệu và thài sản phẩm cháy vào mõi trường nên động cơ nhiệt thực chất là hệ thống hở. Tuy nhiên, để có thể tính toán chu trinh người ta phải già thiết các quá trinh cháy và thải sản phẩm cháy vào môi trường là những quá trình nhận nhiệt từ nguồn nóng và nhả nhiệt cho nguồn lạnh, từ đó có thể biểu diễn chu trình dộng cơ nhiệt trên đố thị trạng thái của khí lý tưởng. Máy lạnh thực sự là hệ thống kin, trong đó chất môi giới thực hiện các quá trình biến đổi trạng thái đưa chất môi giói trỏ lại trạng thái ban đầu và thực hiện các quá trình biến đổi giữa nhiệt và công. 3.1.2. Chiều của chu trình Trên đồ thị p - V, chu trinh thuận được hiểu là chu trinh có các quá trinh tiến hành theo chiều quay của kim đổng hồ, trên đồ thị p - V đường cong dãn nở sẽ nằm trên đường cong nén ép do đó công thay đổi thể tích trong một chu trinh sẽ mang dấu dương. Vì vậy chu trình thuận sẽ là chu trinh của động cơ nhiệt có khả năng biến nhiệt thành công. Chu trình ngược là chu trình tiến hành ngược chiểu quay của kim đóng hồ. Trong chu trình này đường cong nén sẽ nằm trên đường cong dãn nở do đó công thay đổi thể tích trong một chu trinh sẽ mang dấu âm có nghĩa là trong chu trình ngược, máy lạnh phải tiêu tốn công cơ học để thực hiện chu trình nhặn nhiệt từ vật cần làm lạnh (nguồn cấp nhiệt) và nhả nhiệt cho môi trường (nguồn nhận nhiệt). Vì vậy, chu trình ngược được sử dụng trong các máy lạnh hoặc bơm nhiệt với mục đích vận chuyển nhiệt từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao. 63 \/o 0 -> lo = lU34 - lu2Ị lo = diện tích hình c34d - diện tích hình c21d = diện tích hình 1234 Cõng của chu trình còn được tính theo nhiệt, từ phương trinh định luật nhiệt động 1 vái chu trinh: Iq, = Au + ì/, Vì nội năng là hàm trạng thái nên Au = 0, £/j = /0 và Zq, là tổng đại sô nhiệt lượng của các quá trinh trong chu trinh, vi vậy ta có: n 'o=2> (3-2) i-1 Trên đồ thị T - s, nhiệt lượng biến thành công của chu trinh được biểu diễn bằng diện tích giới hạn bởi các đường biểu diễn của chu trình 1234 (hình 3.3). Vì q, > q2 nên công trong chu trình động cơ nhiệt theo qui ước sẽ mang dấu dương: lo = q, - q2 > 0 (3 - 3a) - Công tiêu tốn trong chu trình ngược: Hình 3.2 biểu diễn chu trinh máy lạnh/bơm nhiệt, trong một chu trình CMG nhả cho nguồn nhận nhiệt nhiệt lượng q, < 0 và nhận từ nguồn cấp nhiệt (vật cần làm lạnh hoặc môi trường) nhiệt lượng q2 > 0. Vì q, > q2 nên công tiêu tốn trong chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt theo quy ước sẽ mang dấu âm: l 0=q2 -q, <0 (3 - 3b) Diện tích 41ab trên đổ thị T- s (hình 3.4) biểu thị nhiệt lượng chất môi giới nhận được từ vật cấn làm lạnh. T b a s b a s Hình 3.3 Hình 3.4 Chu trình động cơ nhiệt trên đõ thị T-s Chu trình máy lạnh trẽn đố thị T-s 5-GT..KT 65 3.1.4. Hiệu suất nhiệt Để đánh giá mức độ hiệu quả biến nhiệt thành công trong dộng cơ nhiệt làm việc theo chu trinh thuận chiếu, người ta đưa ra đại lượng gọi là hiệu suất nhiệt T|,: _ /„ qi-|q2| =1 _ N ( 3 _ 4 ) qi Pi Pi q - Nhiệt lượng cấp vào. 'o - côn 9 sin h r a tron 9 một ch u trinh. q2 - Nhiệt lượng nhả vào môi trường. TỊ, - Hiệu suất nhiệt. Hiệu suất nhiệt của động cơ phản lực vào khoảng (4%), nhà máy nhiệt điện (35%), động co đốt trong nhiên liệu xăng (28 + 39%). động cơ Diesel cao tốc (42 * 48%). 3.1.5. Chỉ số hiệu quả làm lạnh và chỉ số hiệu quả bơm nhiệt 1. Chí sậ hiệu quà làm lạnh lý thuyết Để đánh giá mức độ hiệu quả làm lạnh trong chu trình ngược chiều, người ta sử dụng các chì số hiệu quả làm lạnh như sau: - Cách đánh giá thứ nhất: Ch! số hiệu quả làm lạnh được xác định bằng tỷ số giữa nhiệt lượng nhận được từ vật cắn làm lạnh trẽn công tiêu thụ. /0 |q,|-q2 w (3-5a> CÓP: Chi số hiệu quà làm lạnh (kWq/kWe) q2 - Năng suất lạnh (kWq). q, - Nhiệt lượng chất môi giới nhả cho môi trường (kWq). lo - Công tiêu thụ (kWe). Ở đây sử dụng chi số q để chỉ công suất lạnh và e để chỉ công có nguồn gốc điện năng. Ví dụ: Máy lạnh giải nhiệt bằng không khí có năng suất lạnh q2 = 3,51 kWq tiêu thụ điện lo =1,21 kWe thì chỉ số hiệu quả làm lạnh: CÓP = ệ| i = 2,9 « ) 1,21 W e Điều này có thể hiểu khi máy lạnh tiêu thụ 1 kWe điện thi có công suất lạnh 2,9 kWq. - Cách đánh giá thứ hai: ^ Trong hệ thống đơn vị Anh - Mỹ, thường sử dụng đơn vị nhiệt lượng: Btu/h, Rĩ và đơn vị công suất điện kW, khi đó hiệu quà làm việc cùa máy lạnh được đánh giá như sau: Chì số tiêu thụ điện: 66 p l c = ÌL » ( 3 _ 5 b ) q2 KI PIC - Chì số tiêu thụ điện tính cho 1 Rĩ (kWe/RT). lo - Cõng suất điện tiêu thụ (kWe). q2 - Năng suất lạnh tính bằng ton lạnh Rĩ (1 RT = 3,516 kWq = 12000Btu/h). 1 21 kWe Theo ví dụ trẽn thi: PIC =— = 1,21 (^-) 1 RT Nếu q2tinh bằng kWq thi chì số tiêu thụ điện tinh cho 1kW lạnh sẽ là: 1 kWe PIC = — (^? ) (3-6) CÓP kWq'K' Theo ví dụ trên thì: PIC =- 1 = 0,34 s 2,9 kWq Các cách đánh giá nói trên đều có ý nghĩa xác định hiệu quả làm việc cùa máy lạnh khi chạy 100% công suất. Giá trị của CÓP và PIC khác nhau là do cách định nghĩa và loại đơn vị sử dụng. Cách đánh giá này sẽ không phù hợp khi xác định tiêu thụ điện của những máy lạnh trong hệ thống ĐHKK vận hành chủ yếu ở chế độ non tải. 2. Chi sậ hiệu quá bơm nhiệt lý thuyết Bơm nhiệt là loại máy nhiệt làm việc theo chu trình ngược với mục đích cấp nhiệt cho vật nhận nhiệt có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường. Khi thực hiện chu trình ngược, bơm nhiệt tiêu thụ công lo, nhận nhiệt lượng q2 từ môi trường và cấp nhiệt lượng q, cho vật cần sấy nóng (sưởi ấm trong ĐHKK, cấp nước nóng cho sinh hoạt). Chỉ số hiệu quả bơm nhiệt được xác định như sau: q, . kWq , v=ĩ S} ( 3-7 ) Công thức liên hệ giữa chỉ sậ hiệu quả bom nhiệtvà chỉ sậ hiệu quả làm lạnh như nhau: Trong đó: (f> - Chỉ số hiệu quả bơm nhiệt q, - Nhiệt lượng cấp cho vật cẩn sấy nóng (kWq) q2 - Nhiệt lượng thu từ môi trường (kWq) l0 - Cõng tiêu thụ (kWe) Khi CÓP tinh theo (kWq/kWe) thì: 67 Theo ví dụ trẽn (0 = 1 + COP
và cùng nhiệt độ nguồn lạnh Tm,„. Trên hình 3.6 có thể so sánh hiệu suất nhiệt của chu trinh Carnot abcd với chu trinh bất kỳ ab'cd', trên đố thị T2tb > Tm,„, Tim < TmaK. Nên: Itabcd . Ị min 5 ì, tabcd '2tb Tĩtb Từ biểu thức hiệu suất nhiệt chu trình Carnot thuận nghịch (3-9) ta có: 1-Sl = 1 _l2 Si (3-14) Trong đó : - Dấu = ứng với chu trinh thuận nghịch - Dấu < ứng với chu trình không thuận nghịch dq - Vi phân nhiệt lượng ; T - Nhiệt độ tuyệt đối 3.3.3. Biến đối Entropi trong quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch Xét chu trình không thuận nghịch bao gồm 2 quá trinh: 1a2 - quá trình không thuận nghịch, 2b1 - quá trình thuận nghịch (hình 3.7). ' Ludwig Bolưmann (1844-1906) - Nhá vật lý Ao. 1 Rudott (1822 - 1888) - Nhà vặt lý Đức. Đóng thòi vòi Lom KeMn đã công bậ anh luật nhiệt động thứ h70 Từ (3-14) có thể viết: p + J ^ < 0 - J ^ - JH < 0 1ắ2 2b1 1a2 1b2 Trong quá trinh thuận nghịch 1b2: l y = s2 - s, 1b2 (3-15a) từ đó ta có: Jy-(s2-Si)<0-» jy cho quá trình không thuận nghịch. 3.3.4. Biến đổi Entropi trong quá trình đoạn nhiệt Đối với quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch 12 (hình 3.8) dq = 0->s2-s, =0-»s 2 =s, (3-17) Trong quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch thì Entropi không thay đổi, vì vậy quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch còn được gọi là quá trình đẳng Entropi. Theo ý nghĩa thống kê của hàm Entropi thì quá trình đoạn nhiệt không thuận nghịch là quá trình tiến hành theo chiều tăng của xác suất nhiệt động w2 > w,, vi vậy theo biểu thức (3-13) thì: w, s2. -s, = kin— > 0 do đó: s, > s, w, * (3-18) Trên đổ thị T - s quá trình đoạn nhiệt không thuận nghịch được biểu diễn bằng đường nét đút 12'. 71 Như vậy trong hệ cô lập khitiến hành một quá trinh bất kỳ Entropi có thể táng hoặc không dái nghĩa là ds > 0, trong quá trinh thuận nghịch độ biến thiên Entropi bằng không ds = 0. trong quá trinh không thuận nghịch ds > 0. Đối với hệ hở khi có sự trao đổi năng lượng với mòi trướng thì Entropi của hệ có thể giảm. Các cách phát biểu của định luật nhiệt động 2: 1. Phát biểu của Clausius: Nhiệt không thể tự truyến từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao hơn. 2ị V2' s, - s2 s2 s 2. Phát biểu của Ludwig Boltzmann: Tự nhiên có xu hưáng đi từ các trạng thái có xác suất nhỏ đến những trạng thái có xác suất lớn hơn. Hình 3.8. Biêu đõ Entropi trong quá trinh đoạn nhiệt 3.3.5. ĐỔ thị T- s T 1 q =J~Tds Từ biểu thức: ds dq dq = Tds- I= /Tds Trên đồ thị T - s nhiệt lượng của quá trinh 12 được biểu diễn bằng diện tích 12S2S,. Hình 3.9. Biểu diễn nhiệt lượng của quá trình trẽn dó thị T- s 3.3.6. ĐỒ thị i - s Sử dụng biểu đồ i - s có thể tính công và nhiệt lượng của một số quá trinh nhiệt động như sau: p = const Theo định luật nhiệt động thứ nhất: q = Ai + /w Quá trình đẳng áp p = const: Hình 3.10. Quá trình đẳng áp trên đõ thi i 72 lia = - Ịvdp = 0 í qp = Ai = i 2 - i, (3 - 19) (3 - 20) q = 0 Hình 3.11. Quá trinh đoạn nhiệt thuận nghịch trên đồ thị í - s 3.4. CHU TRÌNH DỘNG c o NHIỆT Khi chất môi giới tiến hành quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch q = 0. q = Ai + L = 0 -Ai = i, - Ù (3-21) 3.4.1. Sơ lược lịch sử phát triển động cơ đốt trong Trong khoảng 100 năm, từ cuối thế kỷ 18 đến những năm cuối thế kỷ 19, các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu phương pháp đốt các loại nhiên liệu để thực hiện quá trinh biến nhiệt thành công trong động cơ đốt trong. Do sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau như: bột than, khí đốt, xăng, dầu... nên phương pháp đốt nhiên liệu trong xilanh động cơ đốt trong cũng khác nhau: đốt bằng tia lửa diện hoặc nhiên liệu tự bốc cháy. Năm 1791, Jan Barber - kỹ sư người Anh đã chế tạo được động cơ đốt trong chạy bằng khí than, nhưng đến năm 1876 Nicolaus A. otto mới chế tạo được động cơ 4 kỳ nhiên liệu khi cấp nhiệt đẳng tích, ngày nay các động cơ xăng 4 kỳ đều làm việc theo nguyên lý của động cơ otto. Năm 1892 - kỹ sư người Đức là Diesel đã được cấp bằng phát minh cho loại động cơ nhiên liệu dầu tự bốc cháy theo quá trình đẳng áp. Động cơ đốt trong là phát minh quan trọng về sự biến đổi giữa nhiệt và cõng đã đem lại nguồn động lực lý tưởng cho cuộc cách mạng công nghiệp và giao thông vận tải thế kỷ 19. Đứng trước những thách thức về bảo vệ môi trường và sự cạn kiệt các nguồn nhiên liệu hoa thạch, động cơ đốt trong vẫn được tiếp tục hoàn thiện về nguyên lý và công nghệ để có thể nâng cao hiệu suất và giảm thiểu các chất phát thải gây ô nhiễm môi trường. 3.4.2. Phân loại động cơ đốt trong Dựa vào đặc điểm cấu tạo, động cơ đốt trong được chia ra làm các loại: động cơ đốt trong kiểu piston, turbine khi, động cơ phản lực. Khi nghiên cứu chu trình động cơ đốt trong kiểu Piston cần đưa ra những giả thiết sau: - Động cơ nhiệt là hệ kín trong đó chất môi giới được coi là khi lý tuồng thực hiện các quá trình thuận nghịch; - Quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khi được thay bằng quá trinh cấp nhiệt; 73 - Quá trinh thải sản phẩm cháy vào môi trường được thay bằng quá trình thài nhiệt cho nguồn lạnh. Có nhiêu cách phân loại động cơ đốt trong: phân loại theo nhiệt động học, phản loại theo nhiên liệu, phân loại theo số kỳ thực hiện chu trình. Trong phạm vi Nhiệt động kỹ thuật chúng ta chú ý tới 2 cách phân loại sau: 1. Phân loại theo nhiên liệu dùng cho động cơ - Động cơ chạy bằng nhiên liệu khí, bao gồm: khí nén, khí hoa lỏng Bảng 3.1. Thành phẩn cơ bản và đặc tính nhiên liệu khi Các thông số Khí nén CH«, H„ co Khí hoá lỏng CjH„ C,H„ C«H„ Nhiệt trị khí cháy Im3 nhiên liệu (kcal/m'tc) 3500 * 9000 14000 * 16000 Nhiệt trị khí cháy Im3 hỗn hợp nhiên liệu và không khi (kcal/m3tcj 800 Ý 840 810 - Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng bao gốm: Nhiên Nệ I lỏng nhẹ (như xăng, benzen, cồn...) và nhiên liệu lỏng nặng là (đẩu diesel dấu thảo mộc...). Bàng 3.2. Thành phẩn cơ bản và đặc tính nhiên liệu lỏng Các thông số Nhiên liệu Diesel Nhiên liệu xăng Các thành phần chinh xác định theo khối lượng, (kg) Nhiệt trị khí (;náy Cacbon - c Hiđro - H Ôxy - 0 0,870 0,126 0,004 0,855 0,145 1 kg nhiên liêu, (kcal/kg) 10000 4. 10400 10300 * 10600 Nhiệt trị khí cháy Im3 hỗn hợp nhiên liệu và không khí (kcal/m3tc) 850 4- 890 - sản phẩm cháy Ngoài các thành phẩn cơ bản của sản phẩm cháy còn hình thành một số các chất độc hại không thể loại bò hoàn toàn. Bảng 3.3 dưa ra hàm lượng những chất độc hại có trong khí thà, cùa động cơ Diesel và động cơ xăng. 74 Bảng 3.3. Hàm lượng những chất dộc hại trong khí thải g/kWh % Thể tích Thành phần Thành phần Động cơ xăng Diesel 4 kỷ Động co xăng Động cơ Động cơ Diesel 4 kỳ Cacbon oxyt 70 + 80 4,5 + 5,5 >6 <0,2 Nitơ oxyt (đáng kể N2O5) 27 12-5-19 0,5 0,25 Hydrocacbon 14-i- 140 2,0 H-4,0 0,05 0,01 Andehyt 3,4 0,14 + 0,2 0,03 0,002 Tạp chất lưu huỳnh 0,28 0,95 0,008 0,03 Muội than 0,4 1,4 + 2,0 0,05 0,25 Nhân benzen (mg/kW.h) 0,02 0,0014 * 0,002 - - Để giảm bớt lượng phát thải các chất độc hại có trong khí thải động cơ gây ô nhiễm môi trường người ta có thể sử dụng 2 loại thiết bị xử lý khí thải sau: - Thiết bị trung hoà các chất độc hại kiểu nhiệt, để đốt hoàn toàn những sản phẩm cháy trung gian co, và C„Hy cho đến sản phẩm cuối cùng C02, H20 trước khi thải vào môi trường. - Thiết bị trung hoa kiểu hấp thụ: Đối với các chất Andehyt, một phần Nitơ oxyt có thể sử dụng thiết bị trung hoa thu hối kiểu chất lỏng, trong thiết bị này khí thải đi qua các lớp chất lỏng, tuy thuộc thành phần hoa học của nó mà những chất độc hạisẽ bị chất lỏng hấp thụ hoặc hoa tan. Do yêu cầu bảo vệ môi trưởng cần phải sử dụng các thiết bị xử lý khí thải, những thiết bị này sẽ làm giảm công suất và hiệu suất của động cơ đốt trong. Trong tương lai Hydro ở cả 2 thể khi và lỏng có thể được sử dụng làm nhiên liệu sạch cho động cơ đốt trong, tuy nhiên sự an toàn và giá thành của loại nhiên liệu này đang còn là một vấn đế khó khăn. 2. Phân loại theo nhiệt động học và theo tỷ sậ nén Theo nhiệt động học, quá trình cháy được coi là quá trinh cấp nhiệt và theo đặc điểm của quá trình cấp nhiệt có các loại động cơ sau: - Động cơ làm việc theo chu trinh cấp nhiệt đẳng tích: bao gồm những động cơ có tỷ số nén E thấp (e = 6 + 11) và phương pháp đốt cháy là cưỡng bức như động cơ xăng, động cơ nhiên liệu còn rượu, động cơ nhiên liệu khí. Nhiệt độ cuối quá trình nén không quá 480°c. - Động cơ làm việc theo chu trình cấp nhiệt đảng áp: bao gốm những động cơ có tỷ số nén cao (e = 12 + 14) như'động cơ Diesel phun nhiên liệu bằng không khí nén và tự bốc cháy, động cơ nhiên liệu dầu nặng. - Động cơ làm việc theo chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, có cả cấp nhiệt đảng tích và cấp nhiệt đảng áp, là loại động cơ có tỷ số nén cao (e = 15 + 22) như động cơ Seiliger. Trong loại động cơ 75 này nhiên liệu là dấu nặng được phun vào xilanh bằng bơm cao áp và tự bóc chảy. Nhiệt đó cua quá trinh nén không thấp hơn 430°c. 3.4.3. Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích - Đổ thị chỉ thị Chu trình có tên Otto' gôm 4 quá trình (hình 3.12): nén, cháy, dãn nở và thải. 4 T, 10 5 Hình 3.12. Chu trinh động co đốt trong cấp nhiệt đẳng tích trên đó thị p-v và T-s Trên đồ thị p - V, T - s 12 - Quá trình nén đoạn nhiệt hỗn hợp. 23 - Quá trinh cấp nhiệt dẳng tích q, (quá trình cháy). 34 - Quá trinh dãn nỏ đoạn nhiệt. 41 - Quá trình nhả nhiệt đẳng tích (quá trình thải sản phẩm cháy vào mõi trường). Các đại lượng đặc trưng của chu trình: - Tỷ số nén: V, Í: = — Đối với xăng hoặc khi e = 6 -ỉ- 11 Tỷ số tăng áp: Hiệu suất nhiệt: ^2 Ằ = Hi Tỷ SỐ tăng áp Ả =2 + 3 P2 n, =1 .$2. (3 - 22a) Trong đó q, là nhiệt lượng cấp vào cho chu trình trong quá trình đẳng tích 2-3. q, = CV(T3 - T2) 1 Nicolaus orro (1832 1891) Kỹ sư người Đức Năm 1876, ổng đã chế tạo động ca nhiên liệu khi 4 kỳ76 - qj là nhiệt lượng thải ra trong quá trinh 4-1: |q2| = Cv(T< - Ti) Thay các giá trị của q, và q? vào (3 -22a) ta được: 7'= 1 r 71 _ 7" (3 - 22b) CV(T3-T2) Tính nhiệt độ T2, T3, T4, qua T, , s và À Quá trinh 1 - 2 có: Suy ra T2 = T,E Quá trình 2 - 3 có: Ì = Ẽ1=A^T3 =T2A = T,Ek-1A Quá trình 3 - 4 có: lv4 T4=T34ĩ = V,x4ĩ = V Thay các giá trị T2, T3, T4 vào (3 - 22b) ta rút ra: li =1—iTT (3-22C) Từ công thức (3 - 22c) ta thấy với số mũ đoạn nhiệt k không đổi rị, tăng khi £ tăng đối với động cơ xăng E thường nhỏ hơn 12, khi £ lớn hơn 12 nhiệt độ cuối quá trình nén T2 sẽ lòn hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu nhẹ (khoảng 400°C), gây nên hiện tượng kích nổ gây hư hỏng động cơ. - Còng của chu trinh: Công sinh ra trong một chu trình được tính bằng tổng đại số công các quá trình: 'o = '12 + '23 + '34 + '41 23 và 41 là các quá trình đẳng tích nên l23 = 0 , /41 = 0 'o = '12 + '34 1 3 4 = j^j(P3V3 -P4V4) 77 '.2 =j^j(p. vi -P2V2> 'o =£3j(p3v3 -p«v4 + PV1 -p2 v2 ) Thay các giá trị cùa áp suất và thể tích riêng theo p,,vh, e ,và Ả ta có: 0= (k-1)(e-1) Trong đó : vh = V, - v2 gọi là thể tích có ích. 3.4.4. Chu trình động cở đốt trong cấp nhiệt đẳng áp (3 - 23) Là chu trinh sử dụng nhiên liệu dầu nặng khó bay hơi. Chu trinh này mang tên Diesel1 được biểu diễn trẽn đồ thị p - V, và T- s bao gốm các quá trinh: 12 - Quá trình nén không khí đoạn nhiệt, nhiệt độ cuối quá trình nén từ 450° - 550°c. 23 - Quá trình cấp nhiệt đẳng áp là quá trinh tự bốc cháy của nhiên liệu được phun vào xilanh bằng không khi nén. 34 - Quá trinh dãn nở đoạn nhiệt của sản phẩm cháy. 41 - Quá trình thải nhiệt đẳng tích. Hình 3.13. Chu trình dộng cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp trên dế thị p - V, T - s Trong chu trình này quá trinh cấp nhiệt 23 là đẳng áp. Thông số đặc trưng của chu trinh cấp nhiệt đảng áp là tỷ số nén z = — và tỳ số dãn nỏ sớm p = — v2 v2 Thông số của chất môi giới ở các trạng thái 2, 3, 4 được xác định theo thông số đặc trung của chu trình và thông số trạng thái đầu. Từ quá trinh nén đoạn nhiệt 12 và định nghĩa tỳ số nén ta có: Rudoll Diesel (1858 - 1913) - Kỹ sư người Đức - Phái minh đông co đật trong sử dụng dâu nặng, sau n78