Bài giảng Kỹ thuật nhiệt: Chương 3 - TS. Lê Xuân Tuấn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

5
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 3: Các quá trình nhiệt động của môi chất, cung cấp cho người học những kiến thức như Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng và khí thực; quá trình nén khí trong máy nén; các quá trình của không khí ẩm;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật nhiệt: Chương 3 - TS. Lê Xuân Tuấn

Chương 3. Các quá trình nhiệt động của môi chất 1 3.1. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC Nghiên cứu quá trình nhiệt động cơ bản nhằm mục đích: + Tìm mối quan hệ giữa các thông số trạng thái khi quá trình (đa biến, đẳng áp, đẳng tích…) đã được xác định. + Tìm quan hệ năng lượng tham gia trong quá trình đó: công thể tích 𝑙 12, công kỹ thuật 𝑙 kt, nhiệt q, biến thiên nội năng ∆u, ∆i, ∆s. 1 3.1.1. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng 2 - Quá trình được nghiên cứu ở đây có một thông số không thay đổi là nhiệt dung riêng C = const. - Quá trình tổng quát nhất là quá trình đa biến; - Các trường hợp riêng của quá trình đa biến: + Quá trình đoạn nhiệt; + Quá trình đẳng nhiệt; + Quá trình đẳng áp; + Quá trình đẳng tích. F Đặc tính quá trình, quan hệ của thông số trạng thái, tính công, nhiệt và biểu diễn các quá trình trên p-v; T-s. 2 1
1. Xác định biến thiên nội năng và entanpi của khí lý tưởng 3 - Trong các quá trình cơ bản thì quá trình đa biến là trường hợp tổng quát nhất. Vì vậy ta sẽ khảo sát trường hợp này trước để sau đó khai thác triển khai các trường hợp khác. - Biến thiên nội năng và entanpi của khí lý tưởng trong mọi quá trình được tính như sau: du = Cv.dT hay ∆u = Cv.(t2 – t1) di = Cp.dT hay ∆i = Cp.(t2 – t1) - Quá trình đẳng nhiệt: t2 = t1 ∆u = 0 ∆i = 0 3 2. Quá trình đa biến 4 - Quá trình này xảy ra có một ràng buộc duy nhất là số mũ đa biến không đổi: Cn = const. - Từ biểu thức định luật nhiệt động I viết cho khí lý tưởng và biểu thức tính nhiệt theo nhiệt dung riêng, ta có: dq = CVdT + pdv = CndT dq = CPdT – vdp = CndT từ hai phương trình này suy ra: (Cn – Cv)dT = pdv (Cn – Cp)dT = -vdp 4 2
2. Quá trình đa biến (Tiếp theo) 5 Từ đó suy ra: Đặt: Vì Cp, Cv, Cn là hằng số nên n = const nên ta có: v.dp + n.pdv = 0 Từ đó suy ra: pvn = const Hay p1v1n = p2v2n 5 2. Quá trình đa biến (Tiếp theo) 6 - Theo phương trình trạng thái của khí lý tưởng pV = RT ta có: - Từ đó suy ra: - Công thức này cho phép xác định các thông số trạng thái của quá trình đa biến. 6 3
2. Quá trình đa biến (Tiếp theo) 7 - Xác định công thay đổi thể tích của quá trình đa biến: !"# Từ quan hệ: Cn = Cv $"% Từ phương trình định luật nhiệt động 1 ta có: q = ∆u + l12 Trong đó q có thể tính theo Cn (trừ quá trình đẳng nhiệt): q = Cn(T2 – T1) l12 = q - Du = Cn(T2 – T1) – CV (T2 – T1) l12 = (Cn- CV)(T2 – T1) 𝑹 𝑹( 𝟏 T Hay l12= $"𝟏 (T1 – T2) = $"𝟏 (1 – T2) 1 7 2. Quá trình đa biến (Tiếp theo) 8 - Xác định công kỹ thuật của quá trình đa biến: )*"# n= )* lkt = n.l12 Nhiệt trao đổi với môi trường (trừ quá trình đẳng nhiệt): Q = G.q = G.Cn(T2 – T1) Biến thiên entrôpi (trừ quá trình đẳng nhiệt): )+ ,$)( ds = ( = ( T 𝛥s = Cnlg T2 1 8 4
3. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến 9 a. Quá trình đoạn nhiệt: - Quá trình đẳng nhiệt là quá trình xảy ra không có sự trao đổi nhiệt giữa môi chất và môi trường: q = 0; dq = 0 - Nhiệt dung riêng của quá trình là: - Quan hệ giữa các thông số trạng thái cơ bản được xác định theo: 9 3. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến (tiếp theo) 10 a. Quá trình đoạn nhiệt: )+ Biến thiên entropi: ds = ( =0 Công giãn nở: l12 = q - Du = 0 – CV (T2 – T1) 𝑹 𝑹( 𝟏 T Hay l12= #"𝟏 (T1 – T2) = #"𝟏 (1 – T2) 1 Công kỹ thuật: lkt = k.l12 10 5
3. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến (Tiếp theo) 11 b. Quá trình đẳng nhiệt: - Quá trình này xảy ra trong điều kiện nhiệt độ của môi chất không đổi T = const. - Nhiệt dung riêng của quá trình: dq CT = = ±∞ dT CT = Cn =±∞ Fn=1 11 3. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến (Tiếp theo) 12 b. Quá trình đẳng nhiệt: 12 6
3. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến (Tiếp theo) 13 b. Quá trình đẳng nhiệt: 13 3. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến (Tiếp theo) 14 b. Quá trình đẳng nhiệt: 14 7
3. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến (Tiếp theo) 15 c. Quá trình đẳng áp: - Quá trình này xảy ra trong điều kiện áp suất của môi chất không đổi p = const. Nhiệt dung riêng của quá trình là Cp và có Cn = Cp. - Fn=0 15 3. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến (Tiếp theo) 16 c. Quá trình đẳng áp: 16 8
3. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến (Tiếp theo) 17 d. Quá trình đẳng tích: - Quá trình xảy ra trong điều kiện thể tích của môi chất không đổi v = const. - Nhiệt dung riêng của quá trình là CV và có Cn = CV. F n = ±¥ 17 3. Các trường hợp riêng của quá trình đa biến (Tiếp theo) 18 d. Quá trình đẳng tích: 18 9
Đặc tính của quá trình đa biến (Tiếp theo) 19 p n=k T n = ±¥ n=±¥ n=k n=0 n=1 n=0 n=1 v s - Khi n = 0 có: p = const quá trình đẳng áp - Khi n =1 có: T = const quá trình đẳng nhiệt - Khi n = k có: pvk = const quá trình đoạn nhiệt - Khi n ® ± µ có: v = const quá trình đẳng tích 19 3.1.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực 20 - Việc tính toán các thông số đó thường dựa vào 2 thông số đã biết nào đó của trạng thái đầu của quá trình, một thông số trạng thái cuối của quá trình và bản chất của quá trình. - Để tính toán, cần phải dựa theo bảng số hoặc đồ thị và phương trình định luật nhiệt động 1 để tính toán khí thực. F Cần chú ý rằng, khác với khí lý tưởng, với khí thực biến thiên entanpy và nội năng trong quá trình đẳng nhiệt luôn khác 0 (biến thiên này ở khí lý tưởng bằng 0). 20 10
21 3.1.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực (Tiếp theo) - Các quá trình: + Quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch; + Quá trình đẳng nhiệt; + Quá trình đẳng áp; + Quá trình đẳng tích. F Đặc tính quá trình, tính công, nhiệt và biểu diễn các quá trình trên i-s; lgp-i. 21 22 3.1.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực (Tiếp theo) 1. Xác định biến đổi entanpi, nội năng và entropi: Ds = s2 – s1 Di = i2 – i1 Du = u2 – u1 = (i2 – p2v2) - (i1 – p1v1) = (i2 – i1) – (p2v2 – p1v1) = Di - D(pv) - Quá trình đẳng nhiệt của khí thực: Du ≠ 0, Di ≠ 0 - Các quá trình xảy ra là các quá trình không thuận nghịch. 22 11
23 3.1.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực (Tiếp theo) 2. Quá trình đẳng tích: 23 24 3.1.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực (Tiếp theo) 3. Quá trình đẳng áp: 24 12
25 3.1.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực (Tiếp theo) 4. Quá trình đẳng nhiệt: 25 26 3.1.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí thực (Tiếp theo) 5. Quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch: 26 13
3.4. QUÁ TRÌNH NÉN KHÍ TRONG MÁY NÉN 27 3.4.1. Các loại máy nén - Nén là quá trình tăng áp suất: Nén lỏng sử dụng bơm Ở áp suất thấp Nén khí sử dụng thì sử dụng máy nén để nén quạt để nén khí lên áp suất cao 27 3.4.2. Máy nén pittông một cấp 28 1. Các quá trình trong máy nén pittông một cấp lý tưởng - Không có thể tích chết; - Không có trở lực hút, đẩy; 28 14
29 1. Các quá trình trong máy nén pittông một cấp lý tưởng (tiếp theo) - Các quá trình: Ø a-1: Hút khí vào xy lanh; Ø 1-2: Nén khí trong xy lanh; Ø 2-b: Đẩy khí từ xy lanh vào bình chứa ở p2; - Quá trình nén 1-2: + Làm mát tốt: Đẳng nhiệt; + Bọc cách nhiệt: đoạn nhiệt; Ø 1-2k: Công tiêu tốn lớn nhất; Ø 1-2t: Công tiêu tốn nhỏ nhất; Ø 1-2n: Đa biến (tối ưu chi phí làm mát và tiêu tốn cho máy nén); 29 2. Công của máy nén pittông một cấp lý tưởng 30 Lmn = La1 + L12 + L2b La1 = -F1H1 = -p1S1H1 = -p1V1 𝟐 L12 = ∫𝟏 pdv L2b = p2V2 𝟐 𝟐 𝟐 𝟐 Lmn = ∫𝟏 pdV – (p1V1 – p2V2) = ∫𝟏 pdV – ∫𝟏 d(pV) = -∫𝟏 Vdp = Lkt n p2 $"% 𝑳 𝒎𝒏 = p 𝟏V 𝟏 ( ) $ −1 n − 𝟏 p1 q = Cn∆t 30 15
3. Máy nén pittông một cấp thực 31 - Vh: Thể tích hút lý tưởng - Vt: Thể tích chết; - V: Thể tích hút thực. ! . Ø Hiệu suất thể tích: 𝜆 = = 1 – c(𝜋 " − 1) .% .# 𝑐 = .% gọi là hệ số thể tích chết /& 𝜋= gọi là hệ số thể tích chết /' n: Số mũ đa biến Khí thực chỉ có quá trình nén đoạn nhiệt 31 3.4.3. Máy nén pittông nhiều cấp 32 32 16
3.4.3. Máy nén pittông nhiều cấp 33 1. Các quá trình trong máy nén pittông nhiều cấp Ø a-1: Hút cấp 1; Ø 1-2: Nén khí cấp 1; Ø 2-3: Làm mát trung gian đẳng áp; Ø 3-4: Nén cấp 2; Ø 4-b: Đẩy khí nén vào bình chứa. 33 2. Tỷ số nén giữa các cấp 34 𝒍 𝒎𝒏 = 𝒍𝒎𝒏 𝟏 + 𝒍𝒎𝒏 𝟐 "#! "#! $ / $ / 𝒍 𝒎𝒏 = -RT1$"𝟏((/&) " −1) – RT3$"𝟏((/() " −1) ' & p𝟒 𝝅𝟏 = 𝝅𝟐 = p𝟏 $ /) Máy nén nhiều cấp: 𝜋1 = 𝜋2 = /𝟏 3. Công của máy nén nhiều cấp 𝒍 𝒎𝒏 = 𝒍𝒎𝒏 𝟏 + 𝒍𝒎𝒏 𝟐 + ... + 𝒍𝒎𝒏n 4. Nhiệt toả ra trong các cấp nén và trong quá trình làm mát trung gian Ø Quá trình nén: qn = Cn∆t Ø Quá trình làm mát trung gian: qm = Cp∆t 34 17
3.5. CÁC QUÁ TRÌNH CỦA KHÔNG KHÍ ẨM 35 3.5.1. Không khí ẩm 1. Định nghĩa và tính chất của không khí ẩm Không khí ẩm = không khí khô + hơi nước Áp suất: p = pk + ph p: Áp suất toàn phần của không khí ẩm; pk: Áp suất không khí khô; ph: Áp suất của hơi nước. Nhiệt độ: T = Tk = Th Thể tích: V = Vh = Vk Khối lượng: G = Gk + Gh 35 2. Phân loại không khí ẩm 36 - Không khí ẩm bão hoà: Là không khí ẩm mà lượng hơi nước chứa trong đó đạt đến mức lớn nhất, nghĩa là không thể thêm và nếu thêm vào bao nhiêu thì tương ứng sẽ có bấy nhiêu hơi ngưng tụ. Hơi nước là hơi bão hoà khô. ph = ps(t) và t = ts(p) - Không khí ẩm chưa bão hoà: Là không khí ẩm vẫn còn khả năng tiếp nhận hơi nước. ph < ps(t) và t > ts(p) - Không khí ẩm quá bão hoà: Là không khí ẩm có chứa những giọt nước đã bị ngưng tụ lại. 36 18
2. Phân loại không khí ẩm (Tiếp theo) 37 t < ts(ph) - Để biến không khí ẩm chưa bão hoà thành bão hoà có 2 cách: + Cách 1: Tăng phân áp suất của hơi nước đến ps(t) bằng cách phun nước vào không khí. + Cách 2: Giữ nguyên ph, giảm t → ts(ph) 37 3. Các đại lượng đặc trưng của không khí ẩm 38 0% a. Độ ẩm tuyệt đối: 𝜌h = . , kg/m3 1% b. Độ ẩm tương đối: 𝜑 = 1*+, ph = RhT𝜌h 1% phmax = RhT𝜌hmax F 𝜑= 1%*+, 𝜑 đặc trưng cho khả năng tiếp nhận hơi nước Sử dụng ẩm kế kiểu tóc, ẩm kế khô ướt hoặc ẩm kế điện tử để đo 𝜑. 38 19
3. Các đại lượng đặc trưng của không khí ẩm (Tiếp theo) 39 0% c. Độ chứa hơi: 𝑑 = 0" , (kgh/kgk) hoặc (gh/kgk) / 2/%*+, d = 622/ "%/ = 622 / " 2/%*+, , (gh/kgk) % d. Entanpi của không khí ẩm: I = ik + Ih = ik + dih Coi i = 0 tại t = 0oC thì I = Cpkt + d(r + Cpht) = t + d(2500 + 1,93t) t = const thì I tỷ lệ bậc 1 với d. 39 4. Đồ thị I-d của không khí ẩm 40 - Các loại đồ thị I-d: + Theo áp suất: p = 745 mmHg; p = 760 mmHg + Theo góc: 900; 135º, t vuông góc với I. 40 20