Nội dung

CHÀO CÁC BẠN MÔN HỌC KỸ THuẬT NHIỆT Giáo viên: Nguyễn Thị Yên E-MAIL: yen.vfu@gmail.com BÀI MỞ ĐẦU • • • • • • 1- Tên môn học: 2- Số đơn vị học trình: 3- Phân bổ thời gian: 4- Nội dung môn học 5- Tài liệu tham khảo 6- Nội dung chi tiết của môn học Các đánh giá của môn học 1. Bài giữa kỳ và bài tập 40% 2. Thi kết thúc học kỳ 60% 3. Lưu ý nếu nghỉ quá 20% số tiết không có điểm chuyên cần và không được thi giữa kỳ (bai thi giữa kỳ không báo trước) NHIỆT NHIỆT CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 MÔI CHẤT, KHÍ LÝ TƯỞNG, KHÍ THỰC 1. Môi chất Môi chất là những chất dùng để thực hiện sự biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. 2. Khí lý tưởng  Bỏ qua thể tích bản thân của các phân tử  Bỏ qua qua lực tương tác giữa các phân tử  Khí lý tưởng 2. Khí lý tưởng  Không thể bỏ qua thể tích bản thân của các phân tử  Không thể bỏ qua qua lực tương tác giữa các phân tử  Khí thực 2.2. CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI Thông số trạng thái là các đại lượng vật lý có giá trị xác định ở một trạng thái nhất định nào đó hay thông số trạng thái là đại lượng đặc trưng cho trạng thái Nhóm I: thể tích riêng, nhiệt độ, áp suất là thông số trạng thái cơ bản vì giá trị của nó có thể xác định trực tiếp (đo trực tiếp) Nhóm II nội năng, entanpi và entropi là hàm trạng thái vì giá trị của nó xác định thông qua các thông số cơ bản. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CƠ BẢN 1. CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CƠ BẢN 2. CÁC HÀM TRẠNG THÁI 1.CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CƠ BẢN 1. Thể tích riêng Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng V v  G m3/kg Trong đó: V - Thể tích của vật [m3] G - Khối lượng của vật [kg] Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng gọi là khối lượng riêng, ký hiệu là    1 G  v V 2. Áp suất kg/ m3  Lực tác dụng theo phương phát tuyến lên một đơn vị diện tích thành bình p [N/m2] p  F S [N/m2] 1.CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CƠ BẢN  Đơn vị: Theo hệ IS N/m2: 1 N = 1kg.1m/s2 = 1 kgm/s2 1 N/m2 = 1 pas (1 kPa = 106Pa) Bar: 1 bar = 105N/m2 = 750mmHg at: 1at = 0.981bar = 0.981.105N/m2 = 736mmHg  Đo áp suất (Áp kế) + Barometer đo phần áp suất khí trời Pkq sử dụng chất lỏng chất khí hay lò so ký hiệu Pkq (p0) + Manometer: đo phần áp suất lớn hơn áp suất khí trời gọi là áp suất dư (pd) + Chân không kế (Vacumneter): đo phần áp suất nhỏ hơn áp suất khí trời gọi là áp suất chân 1.CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CƠ BẢN 3. Nhiệt độ  Nhiệt độ đặc trưng cho trạng thái nhiệt (Nóng, lạnh) của vật  Theo thuyết động học nguyên tử nhiệt độ là số đo động năng của các phân tử nguyên tử  Thang đo nhiệt độ  Nhiệt độ bách phân (Celsius), 0C [t]  Nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin), 0K [K]  Quan hệ T = 273 + t0C  Đo nhiệt độ 2. Các hàm trạng thái 1. Nội năng u, [J/kg]   Là năng lượng bên trong cuả các phân tử nguyên tử Hai loại nội năng Nội động năng : là năng lượng chuyển động của các phân tử nguyên tử, ký hiệu là uđn uđn = f (T) Nội thế năng: Là năng lượng gây ra lực tương tác giữa các phân tử nguyên tử ký hiệu utn utn = f(v)   u = uđn + utn Đối với khí lý tưởng u = uđn Biến thiên nội năng của khí lý tưởng du = cvdt u = cv(T2-T1) Công thức này đúng với mọi quá trình Trong đó: c - Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích J/kg.K 2. Các hàm trạng thái 2. Entanpi Hàm năng lượng i [J/kg] i = u + pv (j/ kg) [kJ/kg] Đối với G kg: I = Gi [kJ]  Biến thiên entanpi đối với khí lý tưởng i = f(T) di = Cpdt i = Cp(T2-T1) Công thức này đúng cho mọi quá trình Trong đó: Cp- nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp (j/ kg) [kJ/kg] dq (j/ kg) ds  T 3. Entropi S- được gọi là hàm Entropi  dq- nhiệt lượng cần thiết để cấp vào hoặc nhả ra tính trong quá trình thuận nghịch T- nhiệt độ tuyệt đối 3. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI  Phương trình trạng thái là phương trình nêu lên mối quan hệ của 3 thông số trạng thái cơ bản f(p,v, T) = 0 1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng Đối với 1 kg khí lý tưởng pv = RT Đối với G kg khí lý tưởng pV = GRT Đối với 1kmol ( kg) khí lý tưởng pv= RT Trong đó: v = V- thể tích 1 kmol khí (m3/kmol) R = R - hằng số phổ biến của các chất khí p – áp suất thuyệt đối (N/m2) v- thể tích riêng (m3/kg) V- thể tích của khối khí đó (m3) G - khối lượng (kg) T - nhiệt độ tuyệt đối R- hằng số chất khí Theo Avogadro: R = 8314/ 3. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI 2. Phương trình trạng thái của khí thực  Phương trình của vander valls là phương trình trạng thía của khí thực. Trong đó: a/v2- hiệu chỉnh về lực tương tác giữa các phần tử b- hiệu chỉnh về thể tích bản thân giữa các phần tử. a,b- là giá trị xác định bằng thực 4. NHIỆT LƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NHIỆT LƯỢNG 1. Nhiệt lượng  Nhiệt lượng là số đo lượng nhiệt năng trao đổi, nhiệt lượng phụ thuộc vào quá trình gọi là hàm quá trình 2. Phương pháp xác định nhiệt lượng  Nhiệt dung riêng  Entropi 2.1. Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng  Định nghĩa Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một đơn vị số lượng vật chất thay đổi một độ hay nói cách khác nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho một đơn vị chất khí tăng lên 1 độ tròn một quá trình  Giả thiết trong một quá trình thay đổi trạng thái vô cùng nhỏ dt ta có một lương thay đổi nhiệt lượng dq, khi đó nhiệt dung riêng được tính như sau: dq Nhiệt dung riêng thực C  , dt  Nhiệt dung riêng của khí thực phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ (t) nhưng ảnh hưởng của áp suất không đáng kể. Do đó, nhiệt dung riêng của khí thực là một hàm của nhiệt độ. Khi nhiệt độ thay q đổi từ t1- t2 và nhiệt lượng cung t  C t t2  t1 Nhiệt dung riêng trung bình cấp là q thì ta có;  2 1  Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào: - Bản chất của chất khí - Nhiệt độ dưới dạng C = a + bt (tuyến tính) Trong đó a, b- là hệ số xác định bằng thực nghiệm - Giá trị C = (-- +)  Phân loại Phân loại nhiệt dung riêng theo đơn vị C  C C .vtc  Nhiệt dung riêng khối lượng ký hiệu C đơn vị J/kg.K C (kJ/kg.K) C   22.4 Nhiệt dung riêng kmol ký hiệu C(C) đơn vị là J/kg.K (kJ/kg.K)  Phân quá trình Nhiệt dungloại riêngtheo thể tích ký hiệu C đơn vị J/.K (kJ/.K) C Đối với quá trình đẳng áp Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp Cp Nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp Cp Nhiệt dung riền kmol đẳng áp Cp Đối với quá trình đẳng tích Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích Cv Nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích Cv Nhiệt dung riền kmol đẳng tích Cv Quan hệ giữa nhiệt Cv và Cp theo công thức Mayer ta có C-C = R Nghĩa là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp lớn hơn nhiệt dung khối lượng đẳng tích Cp > Cv khi đó ta có Cv  R k1 kR C p kCv  k1 k Cp Cv Trong đó: k- gọi là số mũ đoạn nhiệt Số mũ đoạn nhiệt k phụ thuộc vào bản chất của chất khí Khí 1 nguyên tử k = 1.6 Khí 2 nguyên tử k = 1.4 Khí 3 nguyên tử k = 1.3 Tính toán nhiêt lượng theo nhiệt dung riêng Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng thực t Cdt dq = Cdt  q  2 t1 Nếu C = conft thì q = C(t2t1) Nếu C = f(t) C = a + bt  t2 q  (a  bt )dt t1 bt 2 t 2 q (at  ) 2 t1  b(t 2  t1 )   q  a    t 2  t1  2   q a (t 2  t1 )  b 2 (t 2  t12 ) 2 CHƯƠNG 2: CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN 2.1. Định luật nhiệt động thứ nhất 2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản 2.3. Định luật nhiệt động thứ 2 2.1. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT 2.1.1. Công của quá trình Công là số đo cơ năng trao đổi hay nói cách khác công là hàm quá trình phụ thuộc vào quá trình  Các loại công  Công thay thể tích  Công đẩy (công lưu động)  Công kỹ thuật CÔNG THAY ĐỔI THỂ TÍCH Công chống lại áp suất của môi trường bên ngoài khi thay đổi thể tích. Giả thiết trong một quá trình thay đổi thể tích nào đó dv và công thay đổi một lượng dl thì công được tính như sau dl = pdv p 1 p Đơn vi: l (J/kg), p (N/m2), l = p dv v (m3/kg) p p 2 1' Quá trình thay đổi v1 đến v2 ta p 2' d v v có v dv v 1 2 12 1 2 mt hi 1 2 2 l  pdv v1 pmt p dx CÔNG THAY ĐỔI THỂ TÍCH Công thay đổi thể tích khi thay đổi một lượng dv bằng diện tích 12v2v1 dv > 0 giãn nở  dl > 0 thực hiện quá trình biến đổi thể tích sinh công nên công dương dv < 0 nén  dl < 0 công cần tiêu thụ mà công tiêu thụ là công dương V2 Tính cho G kg v2 L Gl  L G dpv  pdV v1 V1 CÔNG ĐẨY (CÔNG LƯU ĐỘNG) Công làm dịch chuyển chất khí hoặc chất lỏng từ vị trí này đến vị trí khác - Trong trường hợp công đẩy thay đổi một lượng VCB dlđ dlđ = d (pv) - Trong trường hợp dịch chuyển hữu hạn từ v 1 đến v2 ta có dlđ = p2v2- p1v1 Đơn vị: lđ (J/kg) p (N/m2) v (m3/kg) CÔNG KỸ THUẬT Công kỹ thuật tương ứng với một lượng dlkt vô cùng bé p dlkt = dl – dlđ dlkt = pdv – d(pv) dlkt = - vdp Đơn vị: lkt (J/kg) p (N/m2) v (m3/kg) dp > 0  dlkt< 0 • p1 dp p2 1 2 lkt = - v.dp 1 2 v 2.1.2. BIỂU THỨC ĐỊNH LUẬT I - Định luật 1 là trường hợp riêng của định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng ứng dụng trong quá trình nhiệt. - Thực tế định luật này thiết lập quá trình cân bằng năng lượng (nhiệt năng và cơ năng) trong quá trình nhiệt - Giả thiết có 1kg không khí trong xi lanh cung cấp cho nó một nhiệt lượng vô cung bé là dq thì thông số trạng thái thay đổi cụ thể nhiệt độ thay đổi một lượng dT và thể tích thay đổi một lượng dv - Nhiệt độ thay đổi dẫn đến uđn - Thể tích thay đổi dẫn đến utn 2.1.2. BIỂU THỨC ĐỊNH LUẬT I Theo định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng dq = dl + du (1) dq = du + pdv (2) Phương trình (2) là phương trình vi phân cuả định luật 1 q = u + l Đây là biểu thức tích phân của định luật 1 Viết dưới dạng khác dq du  pdv  vdp  vdp dq du  d ( pv)  vdp dq di  vdp q i  vdp dq di  dl kt l > 0, u < 0, chất khí giãn nở do nội năng giảm l < 0, u >0, chất khí nén do nội năng tăng (3) 1.3. PHƯƠNG TRÌNH ĐỊNH LUẬT I ĐỐI VỚI DÒNG Dòng khí là một hệ hở và không có công ngoài. Gi¶ thiÕt: - Dßng khÝ l­u ®éng trªn trôc æn ®Þnh nghÜa lµ t¹i mäi thêi ®iÓm l­u l­îng cña mäi thiÕt diÖn ®Òu b»ng - Tèc ®é l­u l­îng cña dßng khÝ t¹i mäi thêi ®iÓm trªn cïng 1 thiÕt diÖn ®Òu bằng nhau. Ta cắt khối khí bởi hai tiết diện là tiết diện 1 và tiết diện 2 Trªn ®­êng èng ta thÊy 2 tiÕt diÖn 1 vµ 2 t¹i thiÕt diÖn 1 ta cã: f1,1,v1 t¹i thiÕt diÖn 2 ta cã: f2,2,v2 1.3. PHƯƠNG TRÌNH ĐỊNH LUẬT I ĐỐI VỚI DÒNG 2 1 v1, T1, v2, T2, p2 p1 2 Theo định luật bảo toàn và  chuyển hoá năng lượng 12 dq = du + d( /2) + dl‘ (4) Trong đó: dl‘- là công lưu động của dòng khí Phương trình 4 là phương trình định luật 1 viết cho dòng khí lưu động dq = du +d(pv)+ d(2/2) dq = di+d(2/2) (5) Đối với quá trình hữu hạn thì   q = i+ 2 2 1 (6) 2.2. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN  Quá trình •ĐÞnh nghÜa:là sự biến đổi liên tục trạng khi có sự trao đổi năng lượng dưới dạng nhiệt năng hoặc công  Dấu hiệu của quá trình và thông số trạng thái (thông số trạng thái thay đổi). • Một thông số trạng thái biểu diễn trên đồ thị bằng một điểm • Một quá trình biểu diễn trên đồ thị bằng một đường thẳng, đường cong, logarit,…. 2.2. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN 2.2. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN C¸ch x¸c ®Þnh 1 qu¸ trình thuËn nghÞch 5 Bước • Định nghĩa (Phương trình của quá trình) • Quan hệ giữa các thông số p, v, T • Tính biến thiên ΔU, Δ i, Δ s, q • xác định công l  pdv  l kt  vdp • Biểu diễn trên đồ thị p-v và T-s 2.2. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN  Quá trình đẳng áp  Quá trình đẳng tích  Quá trình đẳng nhiệt  Quá trình đoạn nhiệt  Quá trình đa biến 2.2.1. QUÁ TRÌNH ĐẲNG TÍCH • Định nghĩa: là quá trình tiến hành trong điều kiện thể tích riêng không đổi v = const • Mối Quan hệ giữa các thông số: pv =RT T tỷ lệ thuận với p P2 T2  P1 T1 • Biến thiên của các thông số Δ u = CV(T2– T1), i = Cp(T2-T1), q = Δ u 2.2.1. QUÁ TRÌNH ĐẲNG TÍCH Biến sđổi C v dt  T C T2 p2 Cv ln v ln T1 p1 • Xác định công Công thay đổi thể tích l = 0 Công kỹ thuật lkt = v(p2-p1) = R(T2-T1) • Đồ thị p p 2 2 p1 1 p 2' 2' 0 v1 = v2 = v2' v 2.2.1. QUÁ TRÌNH ĐẲNG TÍCH Kết luận • Trong quá trình đẳng tích nhiệt lượng tham gia vào quá trình chỉ làm biến đổi nội năng. 2.2.2. QUÁ TRÌNH ÁP • Định nghĩa: là quá trình tiến hành trong điều kiện áp suất không đổi p = const • Mối Quan hệ giữa các thông số: pv =RT v tỷ lệ thuận với T v2 T2  v1 T1 • Biến thiên của các thông số Δ u = CV(T2– T1), i = Cp(T2-T1), q = Δ i 2.2.2. QUÁ TRÌNH ÁP C p dT T v T 2 2 v  s  s  s   Cp ln  Cp ln  s  Cp ln Cp ln v T T T T1 v1 • Xác định công 2 C v dT 2 2 1 1 1 Công thay đổi thể tích l = p(v2-v1) = R(T2-T1) Công kỹ thuật lkt = 0 • Đồ thị 2.2.2. QUÁ TRÌNH ÁP Kết luận Từ phương trình định luật I của quá trình đẳng áp sự biến entanpi trong quá trình đẳng áp chính là nhiệt lượng. Trong quá trình đẳng áp nhiệt lượng có thể tính bẳng lượng thay đổi entanpi 2.2.2. QUÁ TRÌNH ÁP Đường cong logrit của quá trình đẳng tích dốc hơn đường cong logrit của quá trình đẳng áp. p T2 T v = conft T1 p = conft v sv sp 2.2.3. QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT • Định nghĩa: Phương trình pv = const trên đồ thị pv biểu diễn đường hypebol • Mối Quan hệ giữa các thông số: pv =RT v tỷ lệ thuận với p p2 v1  p1 v2 • Biến thiên của các thông số - Biến thiên nội năng u = 0 - Biến thiên entanpi i = 0 - Biến thiên etropi s dq 2.2.3. QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT Nhiệt lượng q = 0 có phải không? tại sao? Vậy l = lkt = q Entropi dq = Tds v2 p1 pdv R s     dv R ln R ln T v v1 p2 • Công của quá trình v p RT l pdv  dv RT ln 2 RT ln 1 , j/ kg 1 v 1 p v 1 2 p v RT 1 l  vdp  dp RT ln RT ln 2 , j / kg kt 1 p 1 v p 2 1 2.2.3. QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT •Đồ thị T s s1 s2 Kết luận: quá trình đẳng nhiệt nhiệt lượng tham gia vào quá trình chỉ để sinh công 2.2.3. QUÁ TRÌNH ĐOẠN NHIỆT • Định nghĩa: là quá trình tiến hành trong điều kiện không trao đổi nhiệt với môi trường bên ngòai Phương trình pvk = const • Mối Quan hệ giữa các thông số: p 2  v1    p 1  v2  T2  p 2    T1  p 1  k k 1 k  v1     v2  k 1 2.2.3. QUÁ TRÌNH ĐOẠN NHIỆT Biến thiến: - Biến thiên nội năng - Biến thiên entanpi u = Cv(T2-T1) i = Cp(T2-T1) dq - Biến thiên etropi s  0, s2  s1 0 T - Nhiệt lượng q = 0 2.2.3. QUÁ TRÌNH ĐOẠN NHIỆT • Công của quá trình l pdv, p f (v) Phương trình định luật I q = Δu + l = 0  l = - u = Cv (T1 – T2)   lkt  vdp RT1  T2   1   l k  1 T1   v1  RT1  1   l  k  1 v  2  k1    k1   k  p2   RT1   1     k1 p  1     lkt= kl 2.2.3. QUÁ TRÌNH ĐOẠN NHIỆT •Đồ thị T T1 T2 Kết luận: quá trình đoạn nhiệt thi công sinh ra trong quá trình là do nội năng giảm s 2.2.3. QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN • Định nghĩa: pvn = const, với n - số mũ đa biến n c  cp c  cv  n k c cv n 1 • Mối Quan hệ giữa các thông số: p 2  v1    p 1  v2  T2  p 2    T1  p 1  n n 1 n  v1     v2  n 1 2.2.3. QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN Biến thiến: - Biến thiên nội năng - Biến thiên entanpi u = Cv(T2-T1) i = Cp(T2-T1) - Biến thiên etropi dq c n  k T2 s   dT cv ln T T n  1 T1 - Nhiệt lượng q = C (T2 – T1) n k q cv  T2  T1  n 1 2.2.3. QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN • Công của quá trình RT1  T2   1   l k  1 T1  RT1  1  l k  1   v1     v2  n 1     n 1   n RT1   p2    1   k  1   p1     lkt  n T2  nl  RT1  1   n 1 T  1  lkt n 1    v1  n   RT1  1    n 1    v2  lkt n 1   n   p n   RT1  1   2    n 1 p1     2.2.3. QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN • Ý nghĩa: Xét quá trình tổng hợp + n = 0  p = conft  C = kCv = Cp quá trình đẳng áp + n= 1  pv = const  C = quá trình đẳng nhiệt + n = k  pvk = const  C = 0 quá trình đoạn nhiệt + n =   v= const quá trình đẳng tích 2.2.3. QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 2.3. ĐỊNH LUẬT II NHIỆT ĐỘNG  Ý nghĩa của định luật II  Nội dung Định luật II  Ý nghĩa của định luật II - ĐÞnh luËt 1 cho ta biÕn ho¸ giữa nhiÖt vµ c«ng ch­a cho ta biÕt ®iÒu kiÖn biÕn ho¸ møc ®é biÕn ho¸ lµ bao nhiªu còng nh­ chiÒu h­íng cña qu¸ trình tiÕn hµnh sao cho tèt nhÊt thì ®Þnh luËt 2 gi¶i quyÕt vÊn ®Ò trªn. Định luật 1 nhiệt động thực hiện quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng và ngược lại nó tuân theo mối quan hệ nhất. Ví dụ 1: biến đổi nhiệt năng thành cơ năng sự biến không điều kiện và hoàn toàn (ma sát hoặc cửa gỗ không cần điều kiện gì), còn nhiệt năng thành cơ năng có điều kiện không hoàn toàn. Ví dụ 2: có hai vật thể cho tiếp xúc với nhau chúng có thể trao đổi nhiệt cho nhau.  Nội dung Định luật II Muốn biến đổi nhiệt năng thành cơ năng cần phải có: • Hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau: Nguồn có nhiệt độ cao gọi là nguồn nóng, nguồn có nhiệt độ thấp gọi là nguồn lạnh • Hai chất thực hiện một chu trình thuận nghịch giữa hai nguồn nhiệt Nội dung Định luật II Đéng c¬ vÜnh cöu lo¹i 2 Chu trình là quá trình khép kín Chu trình thuận chiều Chu trình ngược Chu trình thuận chiều l0 q1  q2 q1  q2 l0   q1 q1 q2  1  q1 Chu trình Carnot Chu trình ngược chiều l 0  q1  q2 q1 q2  l0 q2 q2   0 l0 q1  q2  q1 l0  q1 q1  q2    1 0 Hệ số làm lạnh của chu trình carnot T2  0 T1  T2 T2- nhiệt độ nguồn lạnh T1- nhiệt độ nguồn nóng M¸y lanh vµ b¬m nhiÖt CHƯƠNG 3: HƠI NƯỚC VÀ KHÔNG KHÍ ẨM 3.1. Hơi nước 3.2. Không khí ẩm 3.1. HƠI NƯỚC 3.1.1 Quá trình hoá hơi đẳng áp trên đồ thị p-v và T- s 3.1.2. Các thông số và nhiệt lượng của từng quá trình 3.1.3. Bảng và đồ thị của hơi nứơc 3.1.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp trên đồ thị p-v và T- s - Sù bay h¬i lµ hiÖn t­îng t¹o thµng h¬i trªn bÒ mÆt chÊt láng bÊy kú nhiÖt ®é nµo - S«i lµ sù bay h¬i diÔn ra trong toµn bé khèi chÊt láng ts, Ts. nÕu ¸p suÊt ko ®æi suy ra nhiÖt ®é s«i kh«ng ®æi. - Ngưng tô lµ qu¸ trình biÕn ®æi tõ h¬i thµnh chÊt láng sù ng­ng tô còng tiÕn hµnh ë nhiÖt ®é kh«ng ®æi nÕu ¸p suÊt kh«ng ®æi. - H¬i b·o hoµ: khi tiÕn hµnh trong kho¶ng thêi gian cã h¹n thì cung víi qu¸ trình bay h¬i co qu¸ tr×nh ngung tô. NÕu tèc ®é bay h¬i b»ng 3.1.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp trên đồ thị p-v và T- s • H¬i tr¹ng th¸i ®ã cã mËt ®é liín nhÊt gäi lµ h¬i b·o hoµ. • H¬i b·o hoµ kh«: lóc n­íc hoµn toµn hãa h¬i hÕt ta cã h¬i b·o hoµ kh«. • H¬i b·o hoµ Èm: lóc n­íc ch­a ho¸ h¬i hÕt hÕt ta cã h¬i b·o hoµ Èm. H¬i b·o hoµ Èm lµ n¬i hçn hîp hai pha: h¬i b·o hoµ kh« vµ 1 sè h¹t n­íc s«i nh¬ ch­a kÞp bay h¬i hÕt nhưng h¹t nµy ë tr¹ng th¸i l¬ löng ph©n bè nhiÒu trong kh«ng gian • Đé kh«: x lµ tû lÖ giữa träng l­îng h¬i kh« vµ ¸p suÊt n­íc b·o hoµ Èm 3.1.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp trên đồ thị p-v và T- s • Đé Èm: y lµ tû lÖ gi÷a träng l­îng n­íc s«i víi träng l­îng h¬i b·o hoµ Èm Đèi víi h¬i b·o hoµ kh« ta cã: x=1 y=0 Đèi víi n­íc s«i: x=0 y=1 0 ts) t = t - ts  Trạng thái hơi bão hoà ẩm đặc trưng của hơi bão hoà ẩm là độ khô độ khô chính là lượng hơi bão hoà khô có trong hơi bão hoà ẩm. G Gh G kg hơi bão hoà ẩm x h  G G h Gns Gh kg hơi bão hoà khô G khối lượng nước sôi G = Gh+ Gns 3.1.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp trên đồ thị p-v và T- s Đun nước từ 00C đến hơi quá nhiệt có 3 giai đoạn - Giai đoạn 1: a  b từ 00C đến nước sôi Đặc điểm của giai đoạn này nhiệt độ tăng từ 00C đến nước sôi ts. - Giai đoạn 2: từ b  c giai đoạn biến nước sôi thành hơi bão hoà khô (giao đoạn hoá hơi) Đặc điểm của giai đoạn này t = const = ts, p = const - Giai đoạn 3: c  d biến hơn bão hoà khô thành hơi quá nhiệt giai đoạn quá nhiệt hơi Nhận xét: khi áp suất hoá hơi tăng thì: - Giai đoạn hóa hơi sẽ rút ngắn lại nghĩa là bc ngày càng xích lại (sự sai khác giữa chất lỏng sôi và hơi bão hoà khô càng ít đi) - Trạng thái tới hạn K: trạng thái tới hạn là trạng thái mà tại đó không có sự sai khác giữa chất lỏng sôi và hơi bão hoà khô. - Thông số tới hạn pk, tk, vk - Giá trị các thông số tới hạn phụ thuộc: 3.1.2. Các thông số và nhiệt lượng của từng quá trình Thông số của nước ở 00C (u0, i0, s0 = 0), v0 Thông số của nước sôi (u, i, s) – tra bảng hoặc đồ thị Thông số của hơi bão hoà khô u,i, s, v - tra bảng hoặc đồ thị Thông số của hơi quá nhiệt u,i,s,v Thông số của hơi bão hoà ẩm có độ khô x ux, ix, sx,vx 3.1.2. Các thông số và nhiệt lượng của từng quá trình v =(1-x)v’+xv”=v’+x(v”-v’) u =u’+x(u”- u’) i = i’+x(i”-i’)= i’+x r • Nhiệt lượng của từng quá trình  Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng từ 00C đến q 0 i  i0 i nhiệt độ sôi  Nhiệt lượng biến 1 kg chất lỏng sôi thành hơi bão hoà khô  Gọi nhiệt hoá hơi ký hiệu là r r = i- i 3.1.2. Các thông số và nhiệt lượng của từng quá trình Nhiệt lượng hoá hơi phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng và áp suất nếu áp suất tăng thì nhiệt lượng hoá hơi giảm Nhiệt lượng biến 1 kg hơi bão hoà khô thành hơi quá nhiệt (nhiệt lượng quá nhiệt) qqn= i - i Q = Gk (ix - i) = Gh(x.r) Nhiệt lượng biến 1 kg chất lỏng sôi thành hơi bão hoà ẩm có độ khô x rx = rx - i = xi = xi+ (1-x)i - i rx= xr 3.1.3. Bảng và đồ thị  Bảng nước sôi và hơi bão hoà khô tra theo áp suất (p) hoặc nhiệt độ (t)  Bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt Bảng nước sôi và hơi bão hoà khô tra theo áp suất (p) p (bar ) 1,0 2,0 3,0 4,0 t (oC) v’ (m3/kg) 99,63 120,23 133,54 143,62 0,0010434 0,0010608 0,0010735 0,0010839 Bảng nước sôi và t ( C) p (bar) v' (dm3/kg) 36 0,0595 37 v” (m3/ kg) i' (kJ/ kg) i’’ (kJ/ kg) 1,694 417,51 2675,4 0,885 504,70 2706,3 4 561,43 2724,7 0,605 604,67 2737,6 6 0,462 hơi bão hoà khô tra 2 r (kJ/ kg) 2257,9 2201,6 2163,2 2133,0 s' (kJ/ kg.K) s’’ (kJ/ kg.K) 1,3027 1,5301 1,6716 1,7764 7,3598 7,1268 6,9909 6,8943 theo áp suất (t) v'' (m3/kg) i' (kJ/kg) i'' (kJ/kg) r = i''- i' (kJ/kg) s' (kJ/kgK) 1,0067 23,9388 3 150,43 2566,63 2416,20 0,51703 8,333 0,0628 1,0070 22,7358 2 154,65 2568,43 2413,78 0,53068 8,313 38 0,0663 1,0074 21,6016 4 158,88 2570,23 2411,35 0,54428 8,294 39 0,0700 1,0077 20,5319 3 163,10 2572,02 2408,92 0,55783 8,275 40 0,0738 1,0081 19,5226 0 167,33 2573,81 2406,48 0,57135 8,256 0 s'' (kJ/kgK) Bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt p (bar ) t 20 40 60 80 v 0,00100 2 0,00100 8 19,19 20,34 i 83,7 167,5 2612 s 0,2964 0,5715 v 0,00100 2 i s 100 120 140 160 21,5 22,66 23,82 24,97 2650 2688 2726 2764 2802 8,331 8,441 8,546 8,645 8,74 8,83 0,00100 8 15,35 16,27 17,2 18,13 19,06 19,98 83,7 167,5 2612 2650 2688 2726 2764 2802 0,2964 0,5715 8,331 8,441 8,546 8,645 8,74 8,83 (0C) 0,08 0,10 ĐỒ THỊ Các đường đặc trưng - Đường độ khô x = const là đường đi từ điểm k toả xuống phía dưới - Đường đẳng áp trong vùng bão hoà ẩm p t đường đẳng nhiệt tương ứng, vùng quá nhiệt là đường cong đi lên bề lồi quay về phía dưới. - Đường đẳng tích trong vùng bão hoà ẩm và vùng quá nhiệt đều là đường cong đi lên dốc hơn đường đẳng áp nét đứt màu đỏ. - Đường đẳng nhiệt ở vùng bão hoà ẩm đường đẳng áp trùng với đường đẳng nhiệt tương ứng, vùng quá nhiệt là đường cong đi lên càng xa đường x = 1 gần như song song với trục hoành. ĐỒ THỊ Trªn ®å thÞng­ êi ta x©y dùng c¸c ®­ êng: - § ­ êng ®é kh« kh«ng ®æi (x = const) lµ c¸c ®­ êng ®i tõ ®iÓm tí i h¹ n K to¶ xuèng phÝa d­ í i. - § iÓm tí i h¹ n K kh«ng n»m ë ®Ø nh nh­ ®èi ví i ®å thÞp - v, T- s. § ­ êng ®¼ng ¸p (p = const) trong vï ng h¬i b· o hoµ Èm trï ng ví i ®­ êng ®¼ng nhiÖt t­ ¬ng øng (®­ êng AB) vµ lµ c¸c ®­ êng th¼ng xiªn, trong vï ng h¬i qu¸ nhiÖt lµ c¸c ®­ êng cong ®i lªn (®­ êng BC) vµ cã bÒlåi quay vÒphÝa d­ í i. - § ­ êng ®¼ng nhiÖt (T = const) trong vï ng h¬i b· o hoµ Èm trï ng ví i c¸c ®­ êng ®¼ng ¸p t­ ¬ng øng, trong vï ng h¬i qu¸ nhiÖt lµ c¸c ®­ êng cong ®i lªn (®­ êng BD), cµng xa ®­ êng x =1, ®­ êng ®¼ng nhiÖt cµng gÇn nh­ song song ví i trôc hoµnh. - § ­ êng ®¼ng tÝch (v = const), trong vï ng h¬i b· o hoµ Èm hoÆc vï ng h¬i qu¸ nhiÖt ®Òu lµ c¸c ®­ êng cong ®i lªn dèc h¬n ®­ êng ®¼ng ¸p, trªn ®å thÞth­ êng ®­ î c vÏ b»ng ®­ êng nÐt ®øt. Trong thùc tÕ, c¸c qu¸ tr× nh sinh c«ng th­ êng chØx¶y ra trong vï ng h¬i qu¸ nhiÖt vµ mét phÇn vï ng h¬i b· o hoµ Èm cã ®é kh« lí n, v×vËy ng­ êi ta kh«ng vÏ toµn bé ®å thÞi - s mµ chØtr× nh bµy mét phÇn ®å thÞi - s ë vï ng h¬i qu¸ nhiÖt vµ vï ng h¬i Èm gÇn ®­ êng x =1. v =0,003 m3 900 0,01 0,03 0,05 0,08 0,14 0,7 0,3 0,40,5 0 600 C 0 550 C 850 0 500 C 0 450 C 800 0 400 C 0 350 C C 750 0 300 C 0 250 C i , kcal/kg 700 0 200 C 0 D 650 B 150 C 0 100 C 0 50 C 600 A 550 500 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 s ; kcal/kgK 1,8 1,9 2,0 2,1 3.2. KHÔNG KHÍ ẨM 3.2.1. Định nghĩa và phân loại 3.2.2. Các đại lượng đặc trưng của không khí ẩm 3.2.3. Đồ thị I – d và ứng dụng của đồ thị I - d 3.2. 1. Định nghĩa và phân loại • Không khí ẩm là không khí hỗn hợp của không khí khô và hơi nước • Áp dụng phương trình của khí lý tưởng pV = GRT Trong đó: p- áp suất của không khí ẩm bằng tổng phân áp suất của không khí khô pk và hơi nước ph p = pk + p h V- thể tích của không khí ẩm bằng thể tích của không khí khô Vk và thể tích của hơi nước Vh V = Vk = Vh 3.2. 1. Định nghĩa và phân loại T- nhiệt độ của không khí ẩm bằng nhiệt độ của không khí khô Tk và bằng nhiệt độ của hơi nước Th T = Tk = T h G- khối lượng của không khí ẩm bằng khối lượng của không khí khô Gk và khối lượng của hơi nước Gh G = Gk + Gh R- hằng số chất khí của không khí ẩm (giá trị thay đổi không phải số cố định phụ thuộc vào thành phần cuả hơi nước và không khí khô trong không khí ẩm 3.2. 1. Định nghĩa và phân loại • Không khí ẩm chưa bão hoà Không khí ẩm chưa bão hoà là không khí ẩm mà lượng hơi nước của nó còn chưa đạt đến giá trị cực đại (G tw2 - Như vậy, trong trường hợp này nhiệt độ chỉ thay đổi theo hướng x và t = f(x) các mặt phẳng nhiệt sẽ là các mặt phẳng song song và vuông góc với trục x. - Tại một giá trị x ta tách hai mặt đẳng nhiệt cách nhau một đoạn dx. 5.1.2.1.Dẫn nhiệt ổn định một chiều qua vách phẳng 1 lớp Viết phương trình Fourier về dẫn nhiệt ta có: q   dt , dx (5.1) Giải phương trình bằng cách tách biến ta có dt  q dx  (5.2) t  t w1 với  = conft tích phân hai vế ta được q t  x  C  (5.3) Hằng số C được xác định từ các điều kiện đơn trị loại 1 Khi x = 0, t = tw1 = C thì ta có t t w1  q x  (5.4) Đây là phương trình biều diễn sự phụ thuộc t =f(x). Từ phương trình ta thấy khi  = conft, nhiệt đô trong vách phẳng thay đổi theo quan hệ tuyến tính với hệ số góc bằng  q .  t w2 q  x 5.1.2.1.Dẫn nhiệt ổn định một chiều qua vách phẳng 1 lớp Mật độ dòng nhiệt qua vách phẳng một lớp được như sau: Khí x = , t = tw2 ta có t w 2 t w1  q 2  , w/m  (5.5) Từ đây ta rút được  2 q  (t w1  t w 2 ) , w/m  Ký hiều R = (5.6)  gọi là nhiệt trở dẫn nhiệt m2 0K/W.  Như vậy mật độ dòng nhiệt có thể xác định q t w1  t w 2 t w1  t w 2 t 2   , W/m  R R  (5.7) 5.1.2.1.Dẫn nhiệt ổn định một chiều qua vách phẳng nhiều lớp t - Vách phẳng nhiều lớp là vách phẳng gồm nhiều lớp ghép chặt với nhau. Ví dụ tường nhà gồm 3 lớp, lớp vữa, lớp gạch và lớp vữa. - Giả sử có một vách phẳng 3 lớp (hình 11.2), t w1 các lớp làm bằng vật cách nhiệt đồng chất và đẳng hướng có hệ số dẫn nhiệt tương ứng là 1, 2, 2 và chiều dày tương ứng là 1, 2, 3.   tw2  tw3 Nhiệt độ của các bề mặt ngoài là tw1 và tw4 không đổi. Các lớp ép rất sát nhau, nhiệt độ tiếp xúc giữa các lớp ta tw2 và tw3 các nhiệt độ này chưa biết. - Áp dụng bài toán dẫn nhiệt qua vách phẳng 1    tw4 q x 5.1.2.1.Dẫn nhiệt ổn định một chiều qua vách phẳng nhiều lớp Phương trình dẫn nhiệt qua lớp thứ nhất q 1 (t w1  t w 2 )  1 (5.8) Phương trình dẫn nhiệt qua lớp thứ hai q 2 (t w 2  t w3 ) 2 (5.9) Phương trình dẫn nhiệt qua lớp thứ hai q 3 (t w3  t w4 ) 3 (5.10) Vì bài toán ổn định mật độ dòng nhiệt qua (1) bằng mật độ dòng nhiệt qua lớp thư 2 và qua lớp thư 3 nên ta giải hệ 3 phương trình trên ta có t w1  t w 4 1  2 3   1  2  3 t w1  t w 4 , W/m2 q R1  R2  R3    Đặt R = 1  2  3 1  2  3 q (5.11) (5.12) Vậy đối với n lớp ta có q t w1  t w ( n 1) t w1  t w ( n 1) t   , W/m2   Ri  Ri  i 1 (5.13) 5.1.2.2.Dẫn nhiệt ổn định một chiều qua vách trụ 1 lớp Giả thiết tương tự như dẫn nhiệt qua vách phẳng - Dòng nhiệt Q   2rl dt dr t (11.14)  Giải phương trình bằng cách tách biến Q dr 2l Q ln r  C t  2 l dt   t w1 (11.15) (11.16) Tìm nghiện phương trình bằng cách dựa vào các điều kiện biên r = r1  t = tw1 =  Vậy C = tw1 + Q Q 2l ln r 1 C 2l Q Q t  ln r  t w1  ln r1 2  l 2  l Q Q r t t w1  (ln r  ln r1 ) t w1  ln 2l 2l r1 Dòng nhiệt t w2 ln r 1 (5.18) r = r2 ta có r Q t t w 2 t w1  ln 2 2  l r1 2l (t w1 - t w2 ) Q  d ln 2 d1 (5.19) (5.20) Gọi ql - mật độ dòng nhiệt của một đơn vị chiều dài vách trụ 2 (t w1 - t w2 ) t - t w2 Q   w1 , w/m (5.21) d2 d2 1 l ln ln d1 2 d1 d2 1 Đặt Rl = gọi là nhiệt trở dẫn nhiệt của vách trụ (mK/w) ln 2 d1 t - t w2 w/m (5.22) q l  w1 Rl ` ql = q1  q (5.17) r r x 5.1.2.2.Dẫn nhiệt ổn định một chiều qua vách trụ nhiều lớp t Giả thiết tương tự và sử dụng kết quả của bài toán 1  Phương trình dẫn nhiệt qua lớp thứ nhất ql  t w1 - t w2 d 1 ln 2 21 d1 (5.23) t w2 t w3 - t w4 d 1 ln 4 23 d 3 t w4 q r (5.25) Vì dẫn nhiệt ổn định nên mật độ dòng nhiệt của các lớp bằng nhau nên ta giải hẹ 3 phương trình trên ta được ql  t w1 - t w4 , W/m d3 d4 d2 1 1 1 ln  ln  ln 21 d 1 22 d 2 23 d 3 (5.26) Đối với n lớp ta có ql  t w1 - t w(n 1) t w1 - t w(n 1)  , W/m d  i 1 Rli 1   2 ln d i i t w3 (5.24) Phương trình dẫn nhiệt qua lớp thư 3 ql   t w1 Phương trình qua lớp thứ 2 t -t ql  w2 w3 d 1 ln 3 22 d2  (5.27) r r x r 5.1.2.2.Dẫn nhiệt ổn định một chiều qua vách trụ nhiều lớp Đối với n lớp ta có t w1 - t w(n 1) t w1 - t w(n 1) , W/m ql   d Rli 1  i 1  ln  2 d i i d  i 1 1 ln Đặt Rli =  2i di (5.27) (5.28) 5.1.2.1.Dẫn nhiệt ổn định một chiều qua vách cầu Giả thiết ta có vách cầu có đường kính trong r1 và đường kính ngài là dr r2 có nhiệt độ mựt trong là tw1 và nhiệt độ mặt ngoài là tw2 ta có tw1> tw2 (hướng truyền nhiệt là hướng phát tuyến dọc theo r) nhiệt độ trong vách chỉ biến đổi theo hướng bán kính. Tại lớp có toạ độ r ta lấy một lớp có chiều dày dr để khảo sát khi đó nhiêt lượng truyền qua lớp r tw1 r1 tw2 r2 5.1.2.1.Dẫn nhiệt ổn định một chiều qua vách cầu q   dt , Q q.F dr Q   F dt dr dt dr Q dt dt  4 r 2 Q   4r 2 Tích phân hai vế lên ta được t  Q 1 . C 4 r Công thức này là quy luật phân bố của vách cầu đường cong là hypebol Khi giải công thức này với các điều kiện biên loại 1 ta có Khi r = r1  t w1  Q 1 . C 4 r1 Khi r = r2 thì t t w 2  Q 1 . C 4 r2 Từ đó ta có được phương trình tính nhiệt lượng truyền qua vách cầu Q 4  t  tw2  1 1 w1  r1 r2 CHƯƠNG VI: TRAO DỔI NHIỆT ĐỐI LƯU & BỨC XẠ 6.1. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU 6.2. TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ 6.1. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU  Định nghĩa và các nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu  Công thức newton và phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt 6.1. 1. Định nghĩa và các nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu  Trao đổi nhiệt đối lưu Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhở sự chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa các bề mặt vật rắn chất lỏng hoặc chất khí chuyển động gọi là toả nhiệt đối lưu  Những nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu a. Nguyên nhân gây ra chuyển động - Chuyển động tự nhiên là chuyển động do sự chênh lệch nhiệt độ của chất lỏng (khí) giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau Chuyển động tự nhiên phụ thuộc vào: + Bản chất của chất lỏng + Độ chênh lệch nhiệt độ: 6.1. 1. Định nghĩa và các nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu Quá trình trao đổi nhiệt mà tương ứng với chuyển động tự nhiên gọi là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên. Chuyển động cưỡng bức là chuyển động do ngoại lực tác dụng (do quạt, bơm, ...) Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu tương ứng với chuyển động cưỡng bức gọi là quá trình trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức. b. Chế độ chuyển động Giả thiết có hai chế độ chảy: chế độ chảy tầng và chế độ chảy rối (vì có ma sát nên hãm chất lỏng chuyển động) Tiêu chuẩn xác định chế độ chảy Dùng tiêu chuẩn gọi là tiêu chuẩn Reynolds (Re) cho chảy tâng Ví dụ: chất lỏng và chất khí chuyển động trong ống d, tốc độ  thì reynolds được tính như sau 6.1. 1. Định nghĩa và các nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu Trong đó: d d- đường kính , m Re   - tốc độ , m/s - độ nhớt động , m2/s Trị số Re chuyển động tầng sang chuyển động rối Re giới hạn bởi Reth= 2300 Nếu Re > 2300 chế độ chảy rối Nếu Re < 2300 chế độ chảy tầng c. Các tính chất vật lý của chất lỏng khí - Khối lượng riêng  = , kg/m 3 - Nhiệt dung riêng Cp, w/kg.k - Độ nhớt động , m2/s - Hệ số dẫn nhiệt , w/m.k - Hệ số giãn nở thể tích 6.1. 2. Công thức newton và phương pháp xác định hệ số tỏa nhiệt  Công thức newton q = (tw –tf) Q= F(tw –tf) Trong đó: q và Q - mật độ dòng nhiệt và dòng nhiệt F-diện tích bề mặt trao đổi nhiệt tw -nhiệt độ bề mặt vách tf- nhiệt độ của môi chất ở xa bề mặt vách - hệ số toả nhiệt  Phương pháp xác định hệ số tỏa nhiệt   chính là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian khi độ chênh lệch giữa nhiệt độ bề mặt vách và nhiệt độ chất lỏng hay khí là 1 độ  =f(,c,,,,, tw, tf, kích thước,…) Phương pháp xác định: + Phương pháp giải tích + Phương pháp thực nghiệm + Lý thuyết đồng dạng Hệ số toả nhiệt được xác định từ các phương trình tiêu chuẩn. Các phương trình tiêu chuẩn này được xác định nhờ lý thuyết đồng dạng Tiêu chuẩn Nusselt Nu l  Tiêu chuẩn Reynol Re l 3 Tiêu chuẩn Grashoff Gr gl t v2 Tiêu chuẩn Prandtl Pr av Trong đó: - hệ số toả nhiệt W/m2k - hệ số dẫn nhiệt W/mK - tốc độ m/s - độ nhớt động m2/s a- hệ số dẫn nhiệt độ m2/s t = tw-tf độ chênh lệch nhiệt độ g- gia tốc trọng trường 9.81m2/s  =1/T hệ số giãn nở thể tích 1/K  trao ®æi nhiÖt trong kh«ng gian cã h¹n  trao ®æi nhiÖt trong kh«ng gian v« h¹n  ChÊt láng ch¶y trong èng  ChÊt láng ch¶y ngoµi èng 6.2. TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ  Khái niệm bức xạ  Hệ số hấp thụ, hệ số phản xạ, hế số xuyên qua  Các định luật cơ bản về bức xạ nhiệt  Trao đổi nhiệt giữa hai vật đặt song song, hai vật bọc nhau KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Trao đổi nhiêt bức xạ là trao đổi được thực hiện bằng sóng điện từ  Năng lượng nhiệt bức xạ được truyền đi trong không gian theo mọi hướng bằng sóng điện từ có bước  = 0 -  HỆ SỐ BỨC XẠ, PHẢN XẠ, XUYÊN QUA Qt- dòng năng lượng bức xạ đến Qt= QA+ QR+ QD 1= QA/ Qt + QR/ Qt + QD/ Qt Đặt QA/ Qt=A- hệ số hấp thụ QR/ Qt=R- hệ số phản xạ QD/ Qt=D- hệ số xuyên qua Vậy ta có 1=A+R+D Nếu A=1 vật đen tuyệt đối Nếu R=1 vật trắng tuyệt đối Nếu D=1 vật trong suốt tuyệt đối Gía trị A, R,D phụ thuộc vào • Bản chất của vật • Chiều dài bức xạ • Trạng thái bề mặt • Màu sắc Riêng đối với chất lỏng • D=0 NĂNG SUẤT BỨC XẠ, NĂNG SUẤT BỨC XẠ RIÊNG, NĂNG SUẤT BỨC XẠ HIỆU DỤNG  Năng suất bức xạ: là năng lượng phát đi từ một đơn vị diện tích bề mặt theo mọi hướng của không gian bán cầu trong một đơn vị thời gian ứng với toàn bộ chiều dài sóng  Năng suất bức xạ riêng: là năng suất bức xạ của bản thân vật (E)  Năng suất bức xạ hiệu dụng: năng suất bức riêng và năng suất bức xạ phản xạ Năng suất bức xạ hiệu dụng: T A Et- năng lượng tới Một phần vật hấp thụ EA E EA=Aet Et Một phần phản xạ (1-A)Et=ER Vậy Ehd=E+ER = E+ (1-A)Et (1-A)Et AEt CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ  Định luật Stefan-Bolzmann  Định luật kirchoff  Định luật Stefan-Bolzmann Năng lượng bức xạ của toàn phần của vật đen tuyệt đối tỷ lệ bậc 4 với nhiệt độ tuyệt đối  T  E0 C0    100  4 Trong đó C0- hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối C0 = 5.67 w/m2 0K 4 Đối với vật xám  T  E C    100  4 C < C0 Đặt C E  C C0   C0 E0 . Định luật kirchhoff Các vật khác nhau nhưng nhiệt động giống nhau giữa năng suất bức xạ và tỷ số bức xạ là như nhau và bằng năng suất bức xj của vật đen tuyệt đối có cùng nhiệt độ E E E 1  2  3 E , E const 0 A A A A 1 2 3 E 1A 1 hệ số hấp thụ E 2A 2 hệ số phản xạ Hệ quả: A =  khả năng hấp thụ bằng độ đen của nó TRAO ĐỔI NHIỆT GIỮA HAI VẬT ĐẶT SONG SONG A1 E2 A1 (1-A2) E1A1 (1-A2) A1E2 E2 A1E2 (1-A1)E2 Giả thiết ta có hai mặt phẳng lớn đặt song song q1-2 = Ehd1+ Ehd2 Ehd1 = E1 + (1-A1)Ehd2 Ehd2 = E2 + (1-A2)Ehd1 E E  A E Vậy Ehd1  1 2 1 2 A A A A 1 2 1 2 E E  E  1 2 hd 2 A  A  1 2 A E 2 1 AA 1 2  4  4  T    A E  AE T  Vậy q1 2  2 1 1 2  1 C   1    2   0 100   100   A A  A A 1 1 1 2 1 2     1         1 2  4   T  q  C  1  1 2 hd 0   100       T   2   100    4      1  1  1 - độ đen quy dẫn hd   1 2 CHƯƠNG VII: TRUYỀN NHỊÊT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT I - Më § Çu. Trong thùc tÕdo cã nhiÒu yÕu tè t¸c ® éng vµ ¶nh h­ ëng lÉn nhau nªn c¸c qu¸ tr× nh trao ® æi nhiÖt kh«ng thùc hiÖn riªng lÎ lµ chØdÉn nhiÖt, ® èi l­ u hoÆ c bøc x¹ mµ nã x¶y ra ® ång thêi. Nªn qu¸ tr× nh trao ® æ i nh­ vËy gäi lµ qu¸ tr× nh trao ® æi nhiÖt phøc t¹p. Do ® ã khi nghiªn cøu qu¸ tr× nh trao ® æi nhiÖt nµy ph¶i c¨n cø vµo bµi to¸n cô thÓ® Ót× m ra qu¸ tr× nh nµo lµ c¬b¶n ® Ótõ ® ã ¸p dông c«ng thøc cña qu¸ tr× nh ® ã cßn ¶nh h­ ëng cña ph­ ¬ng thøc kh¸c ®­î c ® ­ a thªm vµo d­ í i d¹ng hÖsè hiÖu chØ nh. VÝdô khi tÝnh to¸n trao ® æ i nhiÖt bøc x¹ gi÷a bÒmÆ t vËt r¾ n vµ chÊt khÝbao xung quanh. Trong tr­ êng hî p nµy, nhiÖt l­ î ng trao ® æi trªn mét ® ¬n vÞdiÖn tÝch bÒmÆ t cã thÓviÕt:   dl   bx II - t r uyÒn nhiÖt . TruyÒn nhiÖt lµ qu¸ tr× nh trao ®æi nhiÖt gi÷a hai m«i tr­ êng cã nhiÖt ®é kh¸c nhau qua v¸ch ng¨n c¸ch. § © y lµ tr­ êng hî p trao ® æi nhiÖt phøc t¹p th­ êng gÆ p trong thùc tÕ. Qu¸ tr× nh trao ®æi nhiÖt nµy th­ êng qua c¸c giai ®o¹n sau: - Trao ®æi nhiÖt gi÷a m«i tr­ êng cã nhiÖt ® é cao ví i bÒmÆ t v¸ch ng¨n ® ­ î c thùc hiÖn c¬b¶n b»ng ®èi l­ u hoÆ c b»ng ®èi l­ u vµ bøc x¹. - DÉn nhiÖt qua bÒmÆ t v¸ch ng¨n. - Trao ®æi nhiÖt gi÷a bÒ mÆ t v¸ch ng¨n vµ m«i tr­ êng cã nhiÖt ®é thÊp ® ­ î c thùc hiÖn c¬b¶n b»ng ® èi l­ u. Tuú theo d¹ng bÒ mÆ t v¸ch ng¨n, chóng ta sÏ cã truyÒn nhiÖt qua v¸ch ph¼ ng, v¸ch trô. Chóng ta lÇn l­ î t nghiªn cøu tõng tr­ êng hî p. II.1 - t r uyÒn nhiÖt qua v¸ ch ph¼ng. 1- TruyÒn nhiÖt qua v¸ch ph¼ ng mét lí p. Gi¶ sö cã mét v¸ch ph¼ ng mét lí p : - HÖsè dÉn nhiÖt cña vËt liÖu lµm v¸ch lµ - ChiÒu dµy v¸ch : (W/m.K) :  (m) Mét phÝa bÒmÆ t v¸ch tiÕp xóc ví i m«i tr­ êng cã: - NhiÖt ® é : tf1 (0K) - HÖsè to¶ nhiÖt tõ m«i tr­ êng tí i bÒmÆ t v¸ch :  1 Mét phÝa bÒmÆ t v¸ch tiÕp xóc ví i m«i tr­ êng cã: - NhiÖt ® é : tf2 - HÖsè to¶ nhiÖt tõ bÒmÆ t v¸ch tí i m«i tr­ êng :  2 Gi¶ sö tf1>tf2 qu¸ tr× nh trao ®æi nhiÖt gi÷a hai m«i tr­ êng qua v¸ch sÏ ® ­ î c thùc hiÖn vµ dßng nhiÖt sÏ h­ í ng tï m«i tr­ êng cã nhiÖt ® é cao ® Õn m«i tr­ êng cã nhÖt ® é thÊp. Gäi tw1 lµ nhiÖt ® é bÒmÆ t v¸ch tiÕp xóc ví i m«i tr­ êng nãng, tw2 lµ nhiÖt ®é bÒmÆ t v¸ch tiÕp xóc ví i m«i tr­ êng l¹nh. Khi ®ã mËt ® é dßng nhiÖt cã thÓviÕt t  q 1  t f 1  tw1  tf1 tw1  q   tw1  tw2     tw2 tf2 q  2  tw 2  t f 2  q  x Trong hÖph­ ¬ng tr× nh nµy q, tw1, tw2 ch­ a biÕt, gi¶i hÖph­ ¬ng tr× nh nµy ta cã thÓx¸c ®Þnh ®­î c q, tw1, tw2 Ta cÇn chó ý r»ng ví i qua tr× nh æn ®Þnh, gi¸ trÞq kh«ng ® æi. BiÕn ®æi c¸c ph­ ¬ng tr× nh trªn thµnh : 1  t f 1  tw1 q  1    tw1  tw2 q   1  tw 2  t f 2 q  2   tf1  tf 2 q 1  1   1  2 k Đặt 1  1  1          1 2  k - lµ hÖsè truyÒn nhÖt cña v¸ch ph¼ ng mét lí p. Khi ®ã : q =k(tf1 – tf2) (W/m2) Dßng nhiÖt : Q =qF =kF( tf1 – tf2) (W) § ¹i l­ î ng nghÞch ® ¶o cña hÖsè truyÒn nhiÖt gäi lµ nhiÖt trë truyÒn nhiÖt R 1  1 R     (m2.K/W)  1   2  Q kF t 2. TruyÒn nhiÖt qua v¸ch ph¼ ngnhiÒu lí p. V¸ch ng¨n giữa hai m«i tr­ êng lµ v¸ch ph¼ ng nhiÒu lí p cã  ChiÒu dµy t­ ¬ng øng lµ : 1, 2,... n (m)  HÖsè dÉn nhiÖt t­ ¬ng øng lµ : 1, 2,... n (W/mK) t    tf1 tw1  tw2  tw3 tw4 q    tf2 x B»ng c¸ch chøng minh t­ ¬ng tù ta cã: q =k(tf1 – tf2) (W/m2) Trong ® ã k lµ hÖsè truyÒn nhiÖt cña v¸ch ph¼ ng nhiÒu lí p: 1 2 k (W/m ) n 1 i 1         1 1 i  2  BiÕt q chóng ta dÔdµng x¸c ®Þnh ® ­ î c tw1, tw2,...,twn. Q kF t II.2 - t r uyÒn nhiÖt qua v¸ ch t r ô. 1- TruyÒn nhiÖt qua v¸ch trô mét lí p. Gi¶ sö cã mét v¸ch trô mét lí p : - HÖsè dÉn nhiÖt cña vËt liÖu lµm v¸ch lµ - § ­ êng kÝnh trong : d1 (m) - § ­ êng kÝnh ngoµi : d2 (m) - ChiÒu dµi v¸ch : l (m) : Mét phÝa bÒmÆ t v¸ch tiÕp xóc ví i m«i tr­ êng cã: - NhiÖt ®é : tf1 (0K) - HÖsè to¶ nhiÖt tõ m«i tr­ êng tí i bÒmÆ t v¸ch : 1 Mét phÝa bÒmÆ t v¸ch tiÕp xóc ví i m«i tr­ êng cã: - NhiÖt ®é : tf2 (0K) - HÖsè to¶ nhiÖt tõ bÒmÆ t v¸ch tí i m«i tr­ êng : 2 t Gi¶ sö tf1>tf2 qu¸ tr× nh trao ® æi  nhiÖt gi÷a hai m«i tr­ êng qua tf1 v¸ch sÏ ®­î c thùc hiÖn vµ dßng tw1 nhiÖt sÏ h­ í ng tõ m«i tr­ êng cã   tw2 nhiÖt ® é cao ® Õn m«i tr­ êng cã tf2 nhÖt ® é thÊp. Gäi tw1 lµ nhiÖt ® é bÒ q mÆ t v¸ch tiÕp xóc ví i m«i tr­ êng nãng tw2 lµ nhiÖt ® é bÒ mÆ t v¸ch x d1/2 d2/2 tiÕp xóc ví i m«i tr­ êng l¹nh c¸c nhiÖt ® é nµy ta ch­ a biÕt. Khi ® ã mËt ® é dßng nhiÖt øng ví i mét ®¬n vÞchiÒu dµi v¸ch trô nh­ sau :      q   d  t t  1 1  f 1 w1     t t  w1 w2 q   1 ln d2  2 d  1    q   d  t  t  2 2  w2 f 2      1 d2 1 1 t f 1  t f 2 q   ln   1 d1 2   d1  2 d 2 tf1  tf 2 q d2 1 1 1  ln  1 d1 2   d1  2 d 2 Ký hiÖu : k  1  1 1 d2 1   ln      d 2  d   d  1 1 1 2 2  (W/m2.K) k gäi lµ hÖsè truyÒn nhÖt cña v¸ch trô mét lí p. Khi ®ã : q =k(tf1 – tf2) (W/m2) Dßng nhiÖt : Q =qF =kF( tf1 – tf2) (W) § ¹i l­ î ng nghÞch ® ¶o cña hÖsè truyÒn nhiÖt gäi lµ nhiÖt trë truyÒn nhiÖt R 1 1  1 R      (m2.K/W) k  1   2  2- TruyÒn nhiÖt qua v¸ch trô nhiÒu lí p. V¸ch ng¨n gi÷a hai m«i tr­ êng lµ v¸ch trô nhiÒu lí p cã :  § ­ êng kÝnh t­ ¬ng øng lµ : d1, d2,..., dn (m)  HÖsè dÉn nhiÖt t­ ¬ng øng lµ : 1, 2,..., n (W/mK) t    tf1 tw1  tw2  tw3 tw4 tf2 q x d1/2 d2/2 d3/2 d4/2 B»ng c¸ch chøng minh t­ ¬ng tù ta cã: q =k(tf1 – tf2) (W/m2) trong ®ã k lµ hÖsè truyÒn nhiÖt cña v¸ch trô nhiÒu lí p: k 1 (W/m2)  1 1 di 1 1   ln      d 2  d   d i i 2 n 1   1 1 1 BiÕt q chóng ta dÔdµng x¸c ®Þnh ®­î c tw1, tw2,...,twn. n III. Truyền nhiệt qua vách cầu THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Khái niệm Trong c«ng nghiÖp ng­ êi ta th­ êng sö dông c¸c thiÕt bÞ®Óthùc hiÖn c¸c qu¸ tr× nh trao ® æi nhiÖt gi÷a c¸c chÊt mang nhiÖt, ® ã lµ c¸c thiÕt bÞtrao ®æi nhiÖt.ThÝdô: lß h¬i, c¸c thiÕt bÞng­ ng h¬i, thiÕt bÞsÊy, c¸c b× nh gia nhiÖt... Ph©n lo¹i c¸c thiÕt bÞ Theo nguyªn lÝlµm viÖc, ta chia c¸c thiÕt bÞra lµm 3 lo¹i. ThiÕt bÞtrao ® æi nhiÖt ng¨n c¸ch ThiÕt bÞhåi nhiÖt: ThiÕt bÞtrao ® æi nhiÖt hçn hî p Ph­ ¬ng tr× nh tÝnh to¸n ViÖc tÝnh to¸n c¸c thiÐt bÞtrao ® æi nhiÖt cã hai môc ®Ých chÝnh: § èi ví i c¸c thiÕt bÞ mí i th×ph¶i x¸c ®Þnh ®­î c bÒ mÆ t truyÒn nhiÖt cÇn thiÕt ® ÓtruyÒn t¶i nhiÖt l­ î ng § èi ví i c¸c thiÕt bÞcò th×cÇn kiÓm tra nhiÖt ® é ra khái thiÕt bÞvµ nhiÖt l­ î ng trao ® æi. Hai ph­ ¬ng tr× nh c¬b¶n ® ­ î c sö dông trong tÝnh to¸n lµ ph­ ¬ng tr× nh c© n b»ng nhiÖt vµ ph­ ¬ng tr× nh truyÒn nhiÖt Ph­ ¬ng tr× nh c© n b»ng nhiÖt. Ph­ ¬ng tr× nh truyÒn nhiÖt a-Ph­ ¬ng tr× nh c©n b»ng nhiÖt. NÕu kh«ng kÓ®Õn tæn thÊt th×nhiÖt do chÊt láng nãng to¶ ra b»ng nhiÖt do chÊt láng l¹nh thu vµo. Ph­ ¬ng tr× nh nµy ®­î c biÓu diÔn b»ng biÓu thøc: G1C p1 (t1'  t1'' ) G2 C p 2 (t2''  t2' )[ w] Trong ®ã: G1,G2 [kg/s] : L­ u l­ î ng khèi l­ î ng cña chÊt láng nãng vµ chÊt láng l¹nh Cp1, Cp2 [J/kg.oC] : NhiÖt dung riªng cña chÊt láng nãng vµ l¹nh t1’, t1’’ [oC] : NhiÖt ® é ®Çu vµo vµ ra cña chÊt láng nãng t2’, t2’’ [oC] : NhiÖt ® é ®Çu vµo vµ ra cña chÊt láng l¹nh W1 G1C p1 , W2 G2 C p 2 gäi lµ ® ­ ¬ng l­ î ng n­ í c chÊt láng nãng vµ chÊt láng l¹nh th×ta cã: W1 t2''  t2' t2  '  '' W2 t1 t1  t1 Nh­ vËy ®­¬ng l­ î ng n­ í c tû lÖnghÞch ví i sù biÕn ®æi nhiÖt ®é cña 2 chÊt láng. NÕu chØxÐt ë mét ph© n tè bÒmÆ t dF th×ta cã: W1 dt 2  W2 dt1 b-Ph­ ¬ngtr× nh truyÒn nhiÖt NhiÖt l­ î ng trao ® æi dQ gi÷a 2 chÊt láng qua ph© n tè bÒ mÆ t ®­î c thÓ hiÖn b»ng ph­ ¬ng tr× nh: dQ k (t1  t 2 )dF ktdF ( w) Trong ® ã k - lµ hÖsè truyÒn nhiÖt t- lµ ® é chªnh nhiÖt ® é gi÷a 2 chÊt láng trªn ph© n tè dF NhiÖt l­ î ng trao ® æi trong toµn bÒmÆ t sÏ lµ: Q ktdF (w) F NÕu k =const vµ ® é chªnh nhiÖt ® é däc theo bÒmÆ tF® ­ î c lÊy b»ng gi¸ trÞtrung b× nh kh«ng ® æi th×ta kh«ng cÇn tÝch ph© n mµ cã thÓtÝnh Q b»ng c«ng thøc: Q k t F (w) t: phô thuéc vµo s¬®å chuyÓn ®éng vµ tØsè ®­¬ng l­ î ng n­ í c c chÊt láng cã thÓ chuyÓn ®éng theo c¸c s¬ ®å sa a, Song song cïng chiÒu võa ng­îc chiÒu b, Song song ng­îc chiÒu c, C¾t nhau d, Song song võa cïng chiÒu e, C¾t nhau nhiÒu lÇn t1 t1 t2 t2 C1>C2 t1>t2 C1t2 t2 t2 t1 C1t2 t1 C1>C2 t1<t2 tmax  tmin t  tmax ln tmin