Bài giảng Kỹ thuật nhiệt lạnh - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:259

Thêm vào BST

Báo xấu

78
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tập bài giảng này được biên soạn phù hợp với nội dung chương trình môn học kỹ thuật nhiệt lạnh đã được xây dựng theo chế độ tín chỉ nhằm đáp ứng nhu cầu tài liệu tham khảo cho giảng dạy và học tập hệ Đại học và cao đẳng ngành công nghệ Điện- Điện tử. Với các nội dung chính được trình bày như sau: Kỹ thuật nhiệt; Kỹ thuật lạnh cơ sở; Kỹ thuật lạnh ứng dụng. 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 lạnh - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

LỜI NÓI ĐẦU Môn kỹ thuật nhiệt lạnh là môn học cơ sở và chuyên ngành của các ngành kỹ thuật nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về kỹ thuật nhiệt, kỹ thuật lạnh đặc biệt là những ứng dụng thực tế của kỹ thuật lạnh trong dân dụng và công nghiệp để hỗ trợ thêm sinh viên trong việc vận dụng chuyên ngành của mình vào các ngành công nghệ có liên quan đến kỹ thuật nhiệt lạnh trong xã hội công nghiệp hiện nay. Vói mục đích đó chúng tôi đã biên soạn tập bài giảng kỹ thuật nhiệt lạnh. Tập bài giảng này được biên soạn phù hợp với nội dung chương trình môn học kỹ thuật nhiệt lạnh đã được xây dựng theo chế độ tín chỉ nhằm đáp ứng nhu cầu tài liệu tham khảo cho giảng dạy và học tập hệ Đại học và cao đẳng ngành công nghệ Điện- Điện tử, công nghệ tự động và công nghệ kỹ thuật điện tại trường. Phân công biên soa ̣n: ThS. Trinh ̣ Công Chính: Chương 3- Kỹ thuật lạnh ứng dụng Ks. Hoàng Mai Hồng: Chương 2- Kỹ thuật lạnh cơ sở Ks. Nguyễn Thi ̣Hoa: Chương 1- Kỹ thuật nhiệt Các tác giả đã cố gắng nghiên cứu, kế thừa kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm của bản thân, của các đồng nghiệp, cũng như tham khảo nhiều tài liệu trong quá trình biên soạn, nhưng khó tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi mong nhận được ý kiến đóng góp để hoàn thiện tập bài giảng hơn nữa. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Bộ môn kỹ thuật nhiệt lạnh, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Xin chân thành cảm ơn! Chủ biên: ThS Trịnh Công Chính Kỹ sư Hoàng Mai Hồng Kỹ sư Nguyễn Thị Hoa 1
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………………….1 MỤC LỤC ................................................................................................................... 2 CHƯƠNG I: KỸ THUẬT NHIỆT .............................................................................. 6 1.1 Nhiệt động kỹ thuật ........................................................................................... 6 1.1.1 Khái niệm cơ bản ....................................................................................... 6 1.1.2. Sự chuyển pha của đơn chất ................................................................... 25 1. Đồ thị chuyển pha .................................................................................... 25 2. Quá trình hóa hơi của chất lỏng ............................................................... 26 1.1.3 Chu trình nhiệt động ................................................................................ 31 1. Khái niệm và phân loại chu trình nhiệt động ........................................... 31 2. Tính toán các loại chu trình ..................................................................... 33 3. Một số chu trình nhiệt động .................................................................... 35 1.2. Truyền nhiệt ................................................................................................... 40 1.2.1 Dẫn nhiệt.................................................................................................. 40 1. Các khái niệm ........................................................................................... 40 2. Phương trình vi phân ................................................................................ 43 3. Dẫn nhiệt ổn định khi không có nguồn nhiệt bên trong ........................... 46 1.2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu ............................................................................. 52 1. Khái niệm và những nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu ........ 52 2. Công thức Newton và phương pháp xác định hệ số tỏa nhiệt ................. 54 1.2.3 Trao đổi nhiệt bức xạ ............................................................................... 57 1. Đặc điểm của trao đổi nhiệt bức xạ .......................................................... 57 2.Các hệ số trong trao đổi nhiệt bức xạ ........................................................ 58 3. Các đại lượng đặc trưng cho bức xạ ......................................................... 60 Bài toán về truyền nhiệt ................................................................................................. 61 Bài toán 1: Truyền nhiệt ổn định qua vách phẳng ........................................................ 62 Bài toán 2: Truyền nhiệt ổn định qua vách trụ ............................................................. 64 Bài toán 3: Truyền nhiệt qua vách có cánh .................................................................. 66 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I................................................................................... 69 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT LẠNH CƠ SỞ ............................................................... 72 2
2.1. Môi chất làm lạnh .......................................................................................... 74 2.1.1. Khái niệm ............................................................................................... 74 2.1.2. Các yêu cầu với môi chầt lạnh................................................................ 74 2.1.3. Ký hiệu môi chất lạnh ............................................................................. 75 2.1.4. Các môi chất lạnh thông dụng ............................................................... 77 1. Môi chất lạnh Amôniăc (NH3 - R717) .................................................... 77 2. Môi chất lạnhR12 (CF2Cl2 Diclodiflometan) ........................................... 80 3. Môi chất lạnh R22 (CHF2Cl Monoclodiflometan) ................................ 81 4. Môi chất lạnh R134a (CH2F-CF3 Tetrafloetan)........................................ 83 5. Môi chất lạnh R502 và 500 ...................................................................... 84 2.2. Chất tải lạnh ................................................................................................... 85 2.2.1. Khái niệm ............................................................................................... 85 2.2.2. Yêu cầu và phạm vi ứng dụng của chất tải lạnh ..................................... 85 1. Yêu cầu ..................................................................................................... 85 2. Ứng dụng .................................................................................................. 86 2.2.3. Các chất tải lạnh thường dùng ................................................................ 86 2.3. Dầu lạnh ......................................................................................................... 91 2.3.1. Ký hiệu dầu lạnh ..................................................................................... 91 2.3.2. Tính chất của dầu làm lạnh ..................................................................... 92 2.3.3. Lựa chọn dầu để sử dụng ........................................................................ 93 2.4. Chu trình máy lạnh nén hơi ........................................................................... 95 2.4.1. Chu trình máy lạnh nén hơi một cấp ...................................................... 95 1. Chu trình khô ............................................................................................ 95 2. Chu trình hồi nhiệt ................................................................................... 97 2.4.2. Chu trình máy lạnh nén hơi hai cấp ........................................................ 99 1. Chu trình hai cấp nén làm mát trung gian không hoàn toàn, một tiết lưu 99 2. Chu trình hai cấp, hai tiết lưu, bình trung gian có ống xoắn .................. 101 Bài tập tính toán chu trình .............................................................................103 2.5. Thiết bị trong hệ thống lạnh .........................................................................105 2.5.1. Thiết bị chính hệ thống lạnh .................................................................105 1. Máy nén lạnh .......................................................................................... 105 3
2. Thiết bị ngưng tụ .................................................................................... 115 3. Thiết bị bay hơi ...................................................................................... 127 4. Thiết bị tiết lưu ....................................................................................... 133 2.5.2. Thiết bị phụ hệ thống lạnh ....................................................................137 1. Phin sấy, lọc .......................................................................................... 137 2. Mắt gas ................................................................................................... 139 3. Bình tách lỏng ........................................................................................ 140 4. Bình chứa cao áp .................................................................................... 147 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2 ................................................................................149 CHƯƠNG III: KỸ THUẬT LẠNH ỨNG DỤNG ................................................151 3.1. Hệ thống lạnh dân dụng. ..............................................................................151 3.1.1. Tủ lạnh. ................................................................................................151 1. Đặc điểm và phân loại ............................................................................ 151 2. Tủ la ̣nh làm la ̣nh trực tiế p ...................................................................... 155 3. Tủ la ̣nh làm la ̣nh gián tiế p ...................................................................... 156 3.1.2 Máy điề u hòa không khí ........................................................................161 1. Đă ̣c điể m và phân loa ̣i ............................................................................ 161 2. Máy điều hòa hai khối một chiều ........................................................... 161 3. Máy điều hòa không khí 2 khối 2 chiều ................................................. 171 3.2. Hê ̣ thố ng la ̣nh thương ma ̣i và công nghiê ̣p ..................................................173 3.2.1 Kho lạnh thương mại .............................................................................173 1. Đặc điểm công nghệ. .............................................................................. 173 2. Cấ u ta ̣o.................................................................................................... 174 3. Nguyên lý hoa ̣t đô ṇ g .......................................................................... 227 3.2.2 Hệ thống lạnh nhà máy bia ...............................................................236 1. Đặc điểm công nghệ ............................................................................... 236 2. Cấu tạo.................................................................................................... 237 3. Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 237 3.2.3 Hệ thống lạnh trung tâm sử dụng máy làm lạnh nước Water chiller ....238 1. Đặc điểm công nghệ ............................................................................... 238 2. Hệ thống cấp nước hai đường ống ......................................................... 239 4
3. Hê ̣ thố ng cấ p nước 2 đường ố ng có hồ i ngươ ̣c ...................................... 241 PHỤ LỤC ...........................................................................................................242 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................259 5
CHƯƠNG I: KỸ THUẬT NHIỆT 1.1 Nhiệt động kỹ thuật Mục đích là nghiên cứu những quy luật biến đổi năng lượng có liên quan tới năng lượng nhiệt trong các quá trình lý hóa khác nhau, trong đó có quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng và ứng dụng trong kỹ thuật trên cơ sở hai định luật thực nghiệm là định luật nhiệt động I và định luật nhiệt động II. 1.1.1 Khái niệm cơ bản 1. Máy nhiệt Máy nhiệt là thiết bị thực hiện quá trình chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng và ngược lại giữa hai nguồn có nhiệt độ khác nhau. Giả sử có hai nguồn có nhiệt độ T1 và T2 (T1>T2) T1 T1 Q1 Q1 Máy Máy nhiệt Tiêu tốn nhiệt Sinh công năng lượng Q2 Q2 T2 T2 Máy nhiệt ngược chiều Máy nhiệt thuận chiều Hình 1-1: Phân loại máy nhiệt Đặc điểm của máy nhiệt thuận chiều (động cơ nhiệt) là nhận nhiệt từ nguồn nóng (quá trình cháy, phản ứng hạt nhân,…) giãn nở để biến một phần thành công còn một phần thì thải cho nguồn lạnh (không khí, nước làm mát, …). Ví dụ như máy hơi nước, tuabin khí, tuabin hơi, động cơ đốt trong, động cơ phản lực. Đặc điểm của máy nhiệt ngược chiều là tiêu tốn năng lượng dưới dạng nhiệt năng hoặc công để thu nhiệt từ nguồn lạnh và thải nhiệt cùng với năng lượng tiêu hao ra nguồn nóng. Máy nhiệt ngược chiều gồm máy lạnh (dùng để làm lạnh) và bơm nhiệt (dùng để sấy, sưởi). 6
2. Môi chất và hệ nhiệt động a. Môi chất Môi chất là chất trung gian để thực hiện quá trình biến đổi nhiệt thành công và ngược lại trong các máy nhiệt. Trong các máy nhiệt, môi chất thường dùng ở thể lỏng, hơi, khí vì chúng có khả năng co, giãn lớn thuận tiện cho việc sinh công. Ví dụ: môi chất trong các máy lạnh là khí ga (tác nhân lạnh, môi chất lạnh), môi chất trong động cơ đốt trong là hỗn hợp xăng với không khí, môi chất trong động cơ đốt ngoài là hơi nước. b. Hệ nhiệt động Hệ nhiệt động là một hoặc nhiều đối tượng được tách riêng ra để nghiên cứu những tính chất nhiệt động của chúng. Các đối tượng còn lại ngoài hệ gọi là môi trường. Ranh giới giữa hệ nhiệt động với môi trường là những bề mặt hình học Dựa vào sự trao đổi các dạng năng lượng trên với môi trường người ta chia hệ nhiệt động thành các loại sau: - Hệ kín là hệ không trao đổi khối lượng với môi trường.Ví dụ: khối khí chứa trong bình kín được đốt nóng hay làm lạnh là hệ kín. - Hệ hở là hệ có trao đổi khối lượng với môi trường. Ví dụ: máy nén khí là hệ hở vì lượng khí trong xy lanh thay đổi và đi vào, đi ra khỏi xy lanh. - Hệ cô lập là hệ không trao đổi khối lượng, nhiệt và công với môi trường. Ví dụ: khối khí nằm trong bình kín có vỏ cách nhiệt. - Hệ đoạn nhiệt là hệ chỉ không trao đổi nhiệt với môi trường (q= 0) nhưng có thể trao đổi các dạng năng lượng khác. Ví dụ: nén, giãn khối khí trong bình kín có vỏ cách nhiệt. Trong thực tế chỉ tồn tại hệ kín và hệ hở. 3. Các thông số trạng thái môi chất a. Định nghĩa Thông số trạng thái là những đại lượng vật lý có giá trị xác định tại một trạng thái nhất định nào đó không phụ thuộc vào quá trình biến đổi. Thông số trạng thái gồm thông số trạng thái cơ bản và hàm trạng thái. Thông số trạng thái cơ bản là những thông số trạng thái đo được trực tiếp bằng các dụng cụ đo. 7
Hàm trạng thái là những thông số không đo được trực tiếp mà xác định gián tiếp thông qua thông số trạng thái cơ bản. b. Thông số trạng thái cơ bản *Nhiệt độ Nhiệt độ là mức đo trạng thái nhiệt của vật. Nó thể hiện mức độ chuyển động của các phân tử. Tốc độ chuyển động của các phân tử càng lớn thì nhiệt độ của vật càng lớn Để đo nhiệt độ của vật thường dùng các thang đo sau: (hình1-2) Thang độ nhiệt độ bách phân nhiệt độ được gọi là nhiệt độ bách phân ký hiệu t(0C) còn gọi là nhiệt độ Celcius. ở p=760mmHg nhiệt độ nước đá đang tan là 00C, nhiệt độ nước sôi là 1000C. Thang nhiệt độ Kelvin nhiệt độ được gọi là nhiệt độ tuyệt đối ký hiệu T(K). ở Hình 1-2: Các thang đo nhiệt độ p=760mmHg nhiệt độ nước đá đang tan là 273,15K, nhiệt độ T=0K ứng với trạng các phân tử ngừng chuyền động. Quan hệ giữa hai thang nhiệt độ trên biểu thị bằng biểu thức: T= 273,15 + t . Độ lớn 10C = 1K = 1/100 khoảng cách giữa hai mốc và 0K= -273,15, như vậy nhiệt độ trong thang Kelvin đều dương. Ngoài hai thang nhiệt độ trên, người ta còn dùng thang nhiệt độ Farenheit đơn vị đo là t (0F) và thang nhiệt độ Rankine đơn vị đo là T(0R). Quan hệ giữa các thang là: t(0C) = T[K] -273,15 = 5/9(t0F -32) =5/9 T0R-273 (1-1) Ví dụ: t = 300C = 303K = 800F = 545,40R * Áp suất tuyệt đối Áp suất tuyệt đối là lực tác dụng của môi chất thẳng góc lên một đơn vị diện tích bề F mặt tiếp xúc p= (N/m2) (1-2) S F - Lực tác dụng các phân tử môi chất (N); S - Diện tích bề mặt tiếp xúc (m2) Đơn vị chuẩn đo áp suất là N/m2 còn gọi là Pascal 1 N/m2 = 1Pa, 1KPa = 103 Pa , 1Mpa =106 Pa 8
Ngoài đơn vị chuẩn, trong kỹ thuật nhiệt còn dùng các đơn vị khác như : bar, atmôtphe, KG/cm 2 , mmHg, mH20, psi 1 bar = 105 N/m2 = 750 mmHg 1 at = 9,81.104 N/m2 1 mmHg =1,332 N/m2 1 at = 0,981 bar = 1KG/cm 2 =735,5 mmHg =10 m H2O 1 psi = 0,06895 bar Áp suất của môi chất trong bình nào đó là áp suất tuyệt đối p (tức là so với gốc 0at) nhưng áp suất tuyệt đối lại không đo trực tiếp được mà phải xác định thông qua áp suất khí trời (tức là so với gốc p0= 1at). Nếu trường hợp lớn hơn áp suất khí trời, thì ta đo được pdư bằng đồng hồ manômét và p = p0+pdư . Nếu trường hợp nhỏ hơn áp suất khí trời, thì ta đo được pchân không bằng đồng hồ chân không kế (vacumet) và p = p0 - pck p Pd P P0 Pck P0 0 Hình 1-3: Mối quan hệ giữa các loại áp suất Hình 1-4: Các loại đồng hồ đo áp suất a, Áp kế (Manomet) b, Chân không kế (vacumet) c, Áp chân không kế (Manovacumet) 9
* Thể tích riêng Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng môi chất V v (m3/kg ) (1-3) G V- thể tích của môi chất (m3) G - khối lượng của môi chất (kg) Đại lượng nghịch đảo của thể tích riêng là khối lượng riêng (mật độ) 1    G / V (kg / m3 ) (1-4) v c. Hàm trạng thái * Nội năng Nội năng ký hiệu là u(J/kg) là nội năng của 1 kg môi chất U (J) là nội năng của G kg môi chất và U = u.G Nội năng của môi chất là toàn bộ năng lượng bên trong môi chất, chính là nội nhiệt năng. Nội nhiệt năng gồm hai thành phần là nội động năng và nội thế năng u = uđ+ ut uđ = f (T) do chuyển động của các phân tử gây ra, nó phụ thuộc nhiệt độ của hệ ut = f (v) do lực tác động tương hỗ giữa các phân tử gây ra, nó phụ thuộc khoảng cách hay thể tích riêng phân tử. Với khí thực u = uđ + ut = f (T) + f (v) = f (T,v) Với khí lý tưởng u = uđ = f (T) vì không có lực tác dụng tương hỗ Trong kỹ thuật nhiệt chỉ cần tính lượng biến thiên nội năng u trong quá trình chứ không cần tính giá trị tuyệt đối của nội năng ở một trạng thái nào đó. Vì vậy ta chọn một trạng thái tuỳ ý thường trạng thái ở điểm ba thể làm gốc và coi nội năng ở trạng thái gốc bằng không rồi tính nội năng ở các trạng thái khác theo gốc này * Entanpi Entanpi ký hiệu là i (J/kg) là entanpi của 1 kg môi chất I (J) là en tanpi của G kg môi chất và I = iG Trong kỹ thuật nhiệt entanpi được định nghĩa bằng biểu thức: i = u +pv (1-5) Đối với hệ hở tích pv gọi là năng lượng đẩy tạo ra sự lưu động để đẩy dòng môi chất dịch chuyển. Đối với hệ kín tích pv không mang ý nghĩa năng lượng đẩy. Entanpi của khí thực i = u+pv = f(T,v) + f(p,v) = f(p,T,v), thông thường được biểu diễn theo T, p : i = f (T,p) 10
Entanpi của khí lý tưởng thì i = u +pv = f (T) + RT = f (T) Trong kỹ thuật nhiệt cần tính i nên cũng chọn gốc như nội năng * Entrôpi Entrôpi ký hiệu là s(J/kg) là entrôpi của 1 kg môi chất S (J) là entrôpi của G kg môi chất và S = s.G dq Entrôpi được định nghĩa bằng biểu thức: ds = (1-6) T Trong đó dq là nhiệt lượng vô cùng bé trao đổi với môi trường khi nhiệt độ tuyệt đối của môi chất không đổi T= const . Từ (1-6) ta thấy ds cùng dấu với dq nghĩa là ds>0 thì dq > 0 hệ nhận nhiệt và ds < 0 thì dq < 0 hệ nhả nhiệt. Trong kỹ thuật nhiệt cần tính s nên cũng chọn gốc như nội năng * Tính chất của các thông số trạng thái (u, i, s, p, v,T) Lượng biến thiên các thông số trạng thái chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc đường đi của quá trình, vì vậy: Khi lấy tích phân sẽ được số gia:  du =u ,  di =i ,  du =s ,  dp =p ,  dv =v ,  dT =T Vi phân du, ds, di… sẽ là vi phân toàn phần không phải là vô cùng bé 4. Phương trình trạng thái của môi chất Phương trình trạng thái của môi chất là phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số cơ bản của môi chất ở một trạng thái cân bằng. F(p,v,T) = const (1-7) Phương trình (1-7) biểu diễn một mặt không gian trên hệ toạ độ p-v-T. Một điểm trên mặt không gian biểu diễn một trạng thái cân bằng của hệ ( hình 1-5) p M2 M3 O v T M1 Hình 1- 5: Biểu diễn một trạng thái cân bằng trên hệ trục toạ độ 11
a. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng Phương trình trạng thái của khí lý tưởng được xây dựng trên cơ sở định luật Boyle- Mariotte và Gay- Lussc đối với khí lý tưởng - Phương trình trạng thái viết cho 1 kg khí lý tưởng pv = RT (1-8) p - áp suất tuyệt đối của môi chất (N/m2) v- thể tích riêng của môi chất (m3/kg) R- hằng số chất khí nào đó R = 8314/  (J/kg 0K) mà  - khối lượng của 1 kmol chất khí, có trị số bằng phân tử gam của chất đó ( kg/kmol) - Phương trình trạng thái viết cho G kg khí lý tưởng pV = G RT (1-9) V = v.G là thể tích của G kg khí lý tưởng - Phương trình trạng thái viết cho 1 kmol khí lý tưởng p.V = RT (1-10) V = v là thể tích của 1 kmol chất khí, (m3/kmol) R= .R= 8314 (J/ kmol.0K) là hằng số phổ biến của mọi môi chất ở điều kiện tiêu chuẩn. Thật vậy phương trình trạng thái cho 1 kmol khí lý tưởng ở điều kiện tiêu chuẩn: p0 .V 0 22,4.103.105 R = = = 8314 (J/ kmol.0K) (1-11) T0 273 - Phương trình trạng thái viết cho M kmol khí lý tưởng pV = M RT = 8314 MT (1-12) Trong đó V = M V- thể tích của M kmol Để xác định các thông số trạng thái cơ bản phải dựa vào phương trình trạng thái của khí lý tưởng khi biết hai thông số sẽ tìm được thông số thứ ba b. Phương trình trạng thái hỗn hợp khí lý tưởng - Phương trình Trong thực tế ta thường gặp hỗn hợp của nhiều khí đơn. Ví dụ: không khí là hỗn hợp của N2, O2 , sản phẩm cháy là hỗn hợp O2, CO. Trong chương trình ta chỉ xét hỗn hợp của khí lý tưởng, hỗn hợp của khí lý tưởng cũng là khí lý tưởng nên cũng dùng được phương trình trạng thái của khí lý tưởng nhưng phải xác định được các đại lượng tương đương của hỗn hợp Dạng phương trình trạng thái của hỗn hợp khí lý tưởng viết cho G kg hỗn hợp khí lý tưởng 12
p G = GRT (1-13) Nếu tách hỗn hợp theo phân áp suất ( pi,T = Ti, V= Vi) ta được piV= Gi RiT (1-14) Nếu tách theo phân thể tích (Vi, p = pi , T = Ti) ta được Vi p = Gi Ri T (1-15) Trong các phương trình trên, các đại lượng có chỉ số “ i ” là của khí thành phần, không có chỉ số là của hỗn hợp Để xác định được các đại lượng tương đương trong phương trình trạng thái hỗn hợp ta phải biết được các đại lượng thành phần của nó - Thành phần khối lượng ( gi) Thành phần khối lượng của một khí là tỷ số giữa khối lượng của khí đó với khối lượng của hỗn hợp n Gi Gi Gi n n Gi gi = G1  G2  ...Gn = n = với g i   1 và  G G i (1-16) G G i 1 i i 1 i 1 G i 1 - Thành phần thể tích (ri) Thành phần thể tích của một khí là tỷ số giữa thể tích của khí đó với thể tích của hỗn hợp n n Vi  ri   Vi Vi n ri = Vi = n = với  1 và  Vi  V (1-17) V1  V2  ...Vn Vi V i 1 i 1 i 1 V i 1 - Thành phần kmol (mi) Thành phần kmol của một khí là tỷ số giữa số kmol của khí đó với số kmol của hỗn hợp Mi Mi Mi n n Mi n mi = M 1  M 2  ...M n = n = với  m  i  1 và M i M (1-18) M M i 1 i i 1 i 1 M i 1 - Quan hệ giữa các thành phần Để tìm mối quan hệ giữa các thành phần ta xét hệ thức sau : Xét khí thứ i rong hỗn hợp có khối lương Gi, khối lượng phân tử của 1 kmol chất khí .i, thể tích Vi, thể tích của 1 kmol khí V , thì số kmol của khí thứ i là Mi = G i /  i = V i / V + Quan hệ thứ nhất Vi Mi Gi /  i g i / i pi ri = n = = = = (1-19) V  M  G /   g n n n n i 1 i i 1 i i 1 i i i 1 i / i p i 1 i Chứng minh đẳng thức 1 13
M i .V Mi V ri = i = n = n = mi V  M i .V i 1 Mi i 1 Chứng minh đẳng thức 2 Vi Gi .V / i Gi . /  i ri = = = n G /  n n Vi i 1  G .V /  i 1 i i i 1 i i Chứng minh đẳng thức 3 Gi . /  i Gi / G. /  i g i . / i n = n = n  Gi / i i 1  Gi / G / i i 1 g i 1 i / i Chứng minh đẳng thức 4 Từ piV= GiRiT Vi p = G i Ri T pi Vi Chia hai vế ta được   ri p V + Quan hệ thứ hai: Gi Vi .i / V Vi .i Vi . i / V r . ri . / Ri gi= = n = n = n  ni i = n (1-20) G  Vi .i / V 1  Vi .i  Vi . i / V  ri  i i 1 ri RI i 1 i 1  i 1 - Xác định các đại lượng tương đương của hỗn hợp n - Khối lượng của hỗn hợp G = G i 1 i n -. Thể tích của hỗn hợp V= V i 1 i n -. Số kmol của hỗn hợp M= M i 1 i N -. Nhiệt độ của hỗn hợp T= T I 1 i n -. Áp suất của hỗn hợp p= p i 1 i -. Khối lượng 1 kmol tương đương tính theo thành phần thể tích 14
n n n G G i V  i i / V V  i i n =  ri i I 1 =  i 1 n  i 1 n  n (1-21) M V . / V V M i 1 i i I i 1 i 1 i 1 Tính theo thành phần khối lượng G G G 1 1 =   = n G 1  n g (1-22)   n n GI Mi  M i i . i 1 i 1  I I 1 g  i i 1  i n 8314 -. Hằng số tương đương của hỗn hợp R=  hh =  g .R i 1 i i (1-23) c. Phương trình trạng thái của khí thực - Phương trình Khí thực khác khí lý tưởng nên phương trình trạng thái của khí thực cũng khác với phương trình trạng thái của khí lý tưởng. Nhiều nhà bác học đã thiết lập được các phương trình trạng thái của khí thực Ví dụ: Phương trình của Van der Walls a (p+ ) ( v- b) = RT (1-24) v2 Trong đó a, b là hệ số thực nghiệm Thực nghiệm cho thấy phương trình (1- 24 ) chỉ đúng cho các khí ở áp suất nhỏ, thể tích lớn Phương trình của Novikop a c (p+ ) ( v - b ) = RT ( 1- ) (1-31) v2 T 2 m 3 / Trong đó a, b, c, m là hệ số thực nghiệm Những phương trình trên chỉ đúng cho một hoặc một nhóm khí ở những khoảng áp suất và nhiệt độ nhất định. Đến nay vẫn chưa tìm được một phương trình dùng cho mọi khí thực ở mọi trạng thái. Vì vậy phương trình Van der Walls và phương trình Novikop được sử dụng làm cơ sở lập bảng và đồ thị thực nghiệm phục vụ cho việc tính các hàm trạng thái của khí thực chứ không thể dùng để tính toán cho khí thực khi biến đổi pha 15
- Phương pháp xác định các hàm trạng thái của khí thực (i,s,u,v) Ở một trạng thái nào đó của khí thực ta có thể tính được các hàm trạng thái (i,s,u,v) nếu cho biết T, p hoặc p,v hoặc T,v nhưng không phải bằng các công thức giải tích như khí lý tưởng mà bằng cách tra bảng hoặc đồ thị mà các thông số tra là T, p hoặc p,v hoặc T,v. Để xây dựng được các bảng hoặc đồ thị của khí thực ta phải nghiên cứu quá trình hoá hơi từ lỏng sang hơi của các khí thực. 5. Biến thiên năng lượng, nhiệt và công trong quá trình nhiệt động Khi hệ thay đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác thì có sự biến thiên năng lượng của hệ và sự xuất hiện công và nhiệt a. Biến thiên năng lượng Năng lượng của hệ là mức đo vận động của vật chất ở trong hệ. Ở mỗi trạng thái hệ có một mức năng lượng nhất định. Khi trạng thái thay đổi thì mức năng lượng của hệ sẽ thay đổi. Một vật có thể có nhiều dạng năng lượng nhưng trong hệ nhiệt động các quá trình xảy ra chỉ liên quan đến các dạng năng lượng là ngoại động năng Wd (năng lượng của chuyển động vĩ mô) ; ngoại thế năng Wt (năng lượng của lực trọng trường) ; nội năng ; năng lượng đẩy. Năng lượng toàn phần của hệ w = wd + wt+ u+d [J/kg] Bỏ qua ngoại thế năng và ngoại động năng năng lượng toàn phần của h ệ được xác định như sau : Hệ kín : whệ kín = u  whệ kín = u Hệ hở: whệ hở = i  w hệhở = i b. Công và nhiệt trong quá trình nhiệt động Công và nhiệt chỉ xuất hiện khi hệ tương tác với môi trường, chứ không phải là năng lượng có trong hệ, tức là phải có quá trình mới xuất hiện công và nhiệt. Công và nhiệt phụ thuộc quá trình biến đổi trạng thái nên công và nhiệt là hàm quá trình. * Nhiệt lượng Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau thì nội nhiệt năng được truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp. Lượng nội nhiệt năng vật nhận được hay mất đi khi truyền nhiệt gọi là nhiệt lượng Qui ước: q > 0 vật nhận nhiệt , q < 0 vật nhả nhiệt Có hai phương pháp tính nhiệt lượng 16
+ Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng: nhiệt dung riêng của một chất là lượng nhiệt cần để đưa một đơn vị vật chất lên 1độ trong quá trình nào đó. dq c ; j/ đơn vị đo. độ (1-32) dt Tổng quát (NDR) phụ thuộc bản chất, nhiệt độ, áp suất chất khí. Thông thường bỏ qua áp suất nên (NDR) phụ thuộc bản chất, nhiệt độ. Ta có các loại (NDR) sau: - Theo đơn vị đo dQ (NDR) khối lượng c= (j/kgK) với G - khối lượng(kg) Gdt dQ (NDR) thể tích c, = (j /m3tc K) Với V - thể tích m3 ở điều kiện tiêu chuẩn Vdt dQ (NDR) kilomol c = (j/kmolK) với M - số kmol Mdt c Quan hệ giữa các loại nhiệt dung: c = c,.vt c=  - Theo quá trình nhiệt động (NDR) đẳng áp c p , c, p , c. p (NDR) đẳng tích vp, v,p , v .v Giũa các (NDR) còn có mối quan hệ sau: , cp cp c. p  ,   k , k - số mũ đoạn nhiệt cv cv c  .v - Đối với khí lý tưởng thì k là hằng số không phụ thuộc vào nhiệt độ mà chỉ phụ thuộc số nguyên tử của nguyên tố, nên (NDR) của khí lý tưởng cũng là hằng số và không phụ thuộc nhiệt độ môi chất. Với khí lý tưởng trong kỹ thuật nhiệt thường tính theo (NDR) khối lượng đẳng tích, đẳng áp (cp,cv), vì thế ta có hệ thức sau: 8314 R c. p cp- cv= R = (J/ kg0K)  cp = .k =  k 1  (1-33) cp R c  .v k cv = = cv k 1  Trong đó: cp - (NDR) khối lượng đẳng áp (j/ kg0K) cv - (NDR) khối lượng đẳng tích (j/ kg0K) 17
c. p - (NDR) khối lượng kmol đẳng áp (j/ kmol0K) c .v - (NDR) khối lượng kmol đẳng tích (j/ kmol0K) Mà c. p và c .v giá trị cho trong bảng (2-1) Bảng 1-1 Nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích của khí lý tưởng Cv Cp Loại khí Trị số k KJ/ kmol0K KJ/ kmol0K 1 nguyên tử 1,6 12,6 20,9 2 nguyên tử (N2, O2…) 1,4 20,9 29,3 3 và nhiều nguyên tử (CO2,H2O..) 1,3 29,3 37,7 Thí dụ: Tính (NDR) khối lượng đẳng tích của ôxy c .v 20,9 cv    0,65 kj / kg0K  32 - Đối với khí thực (NDR) của khí thực phụ thuộc nhiệt độ (vì k phụ thuộc nhiệt độ c = c(t)), nên ta tính (NDR) trung bình 1  t2  t2 t1 ct .b   c0  c  (1-34) t1 t 2  t1  0  t1 t2 Ở đây c  , c  là (NDR) trung bình trong khoảng nhiệt độ từ 0 -> t1 và 0 -> t2 0 0 được cho trong phụ lục - Biểu thức tính nhiệt lượng Sau khi tính dược các loại (NDR) thay vào các công thức sau: Q = G c t Q = Vt c c, t (1-35) Q= M c t Nếu chất khí là khí lý tưởng các (NDR) trên là hằng số tính theo (1-32) Nếu chất khí là khí thực (NDR) là (NDR) trung bình tính theo (1-33) + Tính nhiệt lượng theo theo Entrôpi 18
Từ biểu thức (2-34) ta không thể tính q theo nhiệt dung riêng trong quá trình đẳng nhiệt được mà phải tính theo entrôpi. Từ định nghĩa entrôpi s2 ds  T s1  dq  q  T .ds (1-36) T- nhiệt độ tuyệt đối của hệ ( 0K) s - entrôpi là một hàm trạng thái (J/kg0K) T T T T2 2 T2 2 1 q>0 q 0 thì q > 0 hệ nhận nhiệt ( hình 1-6a) ds < 0 thì q < 0 hệ nhả nhiệt ( hình 1-6b) ds = 0 thì q = 0 hệ không trao đổi nhiệt ( hình 1-6c ) s2  Nếu T= const thì biểu thức (1-36) là q  T ds  T.s được biểu diễn bằng hình chữ s1 nhật 12s2s1 . Nhiệt lượng trong quá trình bằng diện tích hình nằm dưới đường cong quá trình chiếu xuống trục s là dt (12s2s1), (hình 1-6). Nhiệt lượng là hàm trạng thái vì nếu tiến hành theo các quá trình khác nhau thì giá trị q sẽ khác nhau b. Công trong quá trình nhiệt động Công của quá trình nhiệt động thường được tồn tại ở các dạng sau : - Công thay đổi thể tích Công thay đổi thể tích là công môi chất trong hệ sinh ra khi giãn nởhoặc nhận được khi bị nén. Công thay đổi thể tích được ký hiệu là l v ( J/kg) và L v (J) 19
Gỉa sử 1 kg chất khí ở áp suất p, thể tích v, khi giãn nở, pít tông dịch chuyển dx, hệ sinh công sinh công dlv. Theo định nghĩa công: v2 dlv = F.dx =p.s.dx = p.dv  lv   p.dv (1-37) v1 p p p p1 1 p2 2 lv > 0 lv< 0 1 l v = p. v 2 p1= p 2 p2 2 p1 1 v1 v2 v v2 v1 v v1 v2 v a/ b/ c/ Hình 1-7: Đồ thị xác định công thay đổi thể tích Từ biểu thức (1-37) ta có: Nếu p  const: thì ta cần phải biết quan hệ p theo v rồi lấy tích phân được biểu diễn trên đồ thị p-v. Từ biểu thức (1-37) ta thấy l v cùng dấu với dv dv > 0 (dãn) thì lv > 0 hệ sinh công (hình1-7a) dv < 0 (nén) thì lv < 0 hệ nhận công (hình1-7b) dv = 0 (nén) thì lv = 0 hệ không sinh công thể tích v2 Nếu p = const (đẳng áp) thì lv  p  dv  p.v được biểu diễn bằng hình chữ nhật v1 12v2v1 (hình1-7b) Trên đồ thị p-v công thể tích của 1 kg chất môi giới trong quá trình bằng diện tích hình nằm dưới đường quă trình chiếu xuống trục v (hình 1-7).Như vậy công thể tích không chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và cuối mà còn phụ thuộc vào đường quá trình, nghĩa là lv là hàm quá trình - Công kỹ thuật Công kỹ thuật ký hiệu là l k .t ( J/kg) và L k .t (J). Công kỹ thuật là công của dòng môi chất chuyển động ( hệ hở ) thực hiện được do sự thay đổi áp suất của môi chất được tính theo biểu thức: 20