Chương 1: Cơ sở nhiệt động kỹ thuật

Chia sẻ: Nguyen Dinh Thi | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:92

Thêm vào BST

Báo xấu

101
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhiệt động học là khoa học về quy luật biến đổi năng lượng mà trong đó chỉ xem xét những biến đổi cơ năng và nhiệt năng. Hệ nhiệt động học: Là hệ các vật nằm trong mối tương tác với nhau và với môi trường xung quanh. Ví dụ: Khí được nén hoặc giãn nở trong xi lanh có pittông chuyển động Các thông số nhiệt động học cơ bản biểu diễn trạng thái của hệ: Nhiệt độ T, thể tích riêng v, áp suất tuyệt đối p. Các thông số này có mối quan hệ phụ thuộc vào nhau và thể hiện bằng phương trình trạng thái...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Chương 1: Cơ sở nhiệt động kỹ thuật

NGUYÊN LÝ VÀ THIẾT BỊ TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN Dương Trung Kiên Khoa_Quản lý năng lượng Trường_ĐH Điện lực
NỘI DUNG Phần I: Cơ sở lý thuyết của máy năng lượng  Chương 1: Cơ sở nhiệt động kỹ thuật  Chương 2 : Cơ sở trao đổi nhiệt  Chương 3: Cơ sở thuỷ khí động lực học  Phần II: Các thiết bị năng lượng nhiệt  Chương 1: Lò hơi và nhiên liệu  Chương 2 : Là phản ứng và thiết bị sinh hơi của nhà máy  điện nghiên tử Chương 3:Tua bin hơi và tua bin khí  Chương 4: Nhà máy điện và điện nguyên tử  Phần III: Thuỷ điện  Chương 1: Tua bin thuỷ điện  Chương 2: Nhà máy thuỷ điện và cơ sở xác định công suất  nhà máy thuỷ điện Phần IV: Vận hành các thiết bị năng lượng  2
Chương 1: Cơ sở nhiệt động kỹ thuật I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤTCỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC Nhiệt động học là khoa học về quy luật biến đổi năng lượng  mà trong đó chỉ xem xét những biến đổi cơ năng và nhiệt năng. Hệ nhiệt động học: Là hệ các vật nằm trong mối tương tác  với nhau và với môi trường xung quanh. Ví dụ: Khí được nén hoặc giãn nở trong xi lanh có pittông chuyển  động Các thông số nhiệt động học cơ bản biểu diễn trạng thái  của hệ: Nhiệt độ T, thể tích riêng v, áp suất tuyệt đối p. Các thông số này có mối quan hệ phụ thuộc vào nhau và thể hiện bằng phương trình trạng thái của môi chất 3
Khí lý tưởng Khí lý tưởng được hiểu là một tập hợp  (chất khí) gồm các phần tử vật chất đàn hồi có thể tích không đáng kể và không có lực tương tác giữa chúng. Phương trình trạng thái đối với 1kg khí lý  tưởng (Phương trình Clapayron): pv=RT R: Hằng số chất khí,nó là công có thể thực hiện  được bởi 1kg khí khi nung nóng lên 1K (J/kg.K) 4
Chất khí bất kỳ Theo định luật Avôgađrô:  1Kmol chất khí bất kỳ P=760 mmHg=1,01325.105 kPa => v=22,4m3 T=273,16K Hằng số chất khí:  pvµ 1,013.105.22,4 Rµ = = = 8314( J / kmol.K ) T 273,16 Đối với Mkg chất khí phương trình trạng thái  pv=MRT 5
Quá trình nhiệt động học Quá trình nhiệt động học là quá trình thay đổi  liên tục trạng thái của môi chất được gây ra bởi sự tương tác của nhiệt hoặc cơ học hoặc kết hợp nhiệt-cơ với môi trường xung quanh. Biểu diễn quá trình nhiệt động học bằng  biểu đồ p-v P 1 Trạng thái môi chất biểu  P1 2” thị bằng một điểm 3 P2 2  Quá trình thay đổi trạng thái biểu diễn bằng các đường 1’ 2’ v1 v2 v 6
Công thay đổi thể tích chất khí Khi thông số chất khí thay đổi có nghĩa là đã có s ự th ực  hiện hoặc tiêu thụ một công nào đó. Khi 1kg chất khí giãn nở trong xilanh có bittông => Nó sẽ thực hiện m ột công gian nở (công thay đổi thể tích) F dl=pFdS=pdv ds p-là áp suất tuyệt đối chất khí Trong đó: F-Tiết diện của pittông dS-Độ dài pittông đi được dv-Số gia thể tích chất khí khi giãn nở Khi thay đổi trạng thái từ 1=>2 đơn vị công thay đổi  thể tích được xác định.(diện tích 1-2-2’-1’) 2 l = ∫ pdv 1 7
Nhiệt năng Nhiệt năng: là dạng năng lượng liên quan đến sự chuyển  động của các phân tử và tương tác giữa các phân tử. Một sự thay nhiệt lượng dQ của một khối lượng vật chất M sẽ tỷ lệ với khối lượng và sự thay đổi nhiệt độ của vật dQ=cMdT 2 Q = M ∫ cdT 1 Trong đó: C-nhiệt dung riêng khối lượng, được tính bằng lượng nhiệt năng cần thiết để đưa một đơn vị khối lượng vật chất thay đổi 1K trong một quá trình nhiệt động nào đó, đơn vị J/kg.K Khi nhiệt dung riêng có giá trị không đổi c=const Q=cM(T2-T1) 8
Nội năng và hàm trạng thái Nội năng vật thể bẳng tổng nội động năng và nội thế năng  Trong quá trình cung cấp nhiệt năng nếu không sinh ra công thì  toàn bộ lượng nhiệt năng cung cấp sẽ tiêu dùng để làm tăng năng nội năng ∆ U(J). Nội năng được xác dịnh bởi các thông số trạng thái, không phụ  thuộc vào việc nó đạt trạng thái đó bằng cách nào. Nói cách khác nó là hàm trạng thái. Hàm trạng thái:   Sự thay đổi của hàm trạng thái khi chuyển từ trạng thái có giá trị cácthông số trạng thái P0,v0,T0=> giá trị P1,v1,T1 không phụ thuộc vào cách thức chuyển.  Nếu vật chất tham gia lần lượt vài quá trình và cuối cùng quay lại trạng thái ban đầu thì hàm trạng thái không thay đổi. 9
Định luật nhiệt động học thứ nhất Trong một quá trình môi chất được cung cấp một  lượng nhiệt năng dQ => làm thay đổi nội năng dU và thực hiện một công dL. => Theo định luật bảo toàn: dQ=dU+dL dQ=dU+pdV (1) => Đối với 1kg môi chất: dq=du+pdv (2) (1) và (2) là biểu diễn toán học của định luật nhiệt động học thứ nhất. Định luật nhiệt động học thứ nhất thực chất là trường hợp riêng của định luận bảo toàn và chuyển hoá năng lượng ứng với quá trình nhiệt 10
II. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG . ĐỒ THỊ T,s VÀ i,s. CHU TRÌNH TUẦN HOÀN Các quá trình nhiệt động học: Quá trình đẳng tích (v=const)  Quá trình đẳng áp (p=const)  Quá trình đẳng nhiệt (T=const)  Quá trình đoạn nhiệt (dq=0)-là quá trình xẩy ra  không có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. Quá trình đa biến (dl/dq=ϕ)-quá trình xẩy ra ở bất  cứ tỷ lệ nào giữa công sinh ra bởi vật chất và nhiệt năng cung cấp cho nó. 11
Quá trình đẳng tích (v=const) Phương trình trạng thái  p1/T1= p2/T2 Môi chất không thực hiện công ngoài nên phương tình nhiệt đ ộng  học thứ nhất : dq=du+pdv dq=du P Theo khái niệm nhiệt dung riêng: dq=cvdT  2 du=cvdT ⇒ Sự thay đổi nội năng trong quá trình 1 ⇒ đẳng tích có thể được xác định qua P1 2’ nhiệt dung riêng chất khí và nhiệt P’2 P2 độ đặc trưng cho quá trình v 12
Quá trình đẳng áp (P=const) P 2 1 Phương trình trạng thái  P v1/T1= v2/T2 v1 v v2 Phương trình nhiệt động học thứ nhất  trong quá trình đẳng áp: dq=du+dl Biểu thức tính nội năng: ∆ u=cv(T2-T1) v 2 l = ∫ pdv = p (v2 − v1 ) = R (T2 − T1 ) Công ngoài : v1 v2 q p = cv (T2 − T1 ) + ∫ pdv = cv (T2 − T1 ) + R (T2 − T1 ) = (cv + R )(T2 − T1 ) v1 13
Phương trình Meier và Entanpi Phương trình Meier:  Nhiêt dung riêng khí lý tưởng trong quá trình đẳng áp cp,với 1kg chất khí: qp=cp(T2-T1) => cp=cv+R  cp-cv=R Phương trình Meier thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng khi thể tích không đổi và khi áp suất không đổi Entanpi  Thêm vdp vào 2 vế của pt nhiệt động học thứ nhất dq+vdp=du+pdv+vdp=du+d(pv) =d(u+pv) Đặt u+pv=i => dq=di-vdp Đại lương i (J/kg) được gọi là Entanpi. Entanpi là thông số trạng thái vì nó chỉ phụ thuộc vào u,p,v. 2 l = ∫ di = i2 − i1  Quan hệ Entanpi và quá trình đẳng áp: dq=di => 1 Như vậy trong quá trình đẳng áp nhiệt lượng cung cấp bằng sự thay đổi Entanpi. Entanpi còn có thể biểu diễn qua sự thay đổi nhiệt độ: i2-i1=cp(T2-T1) 14
Quá trình đẳng nhiệt (T=const) Phương trình trạng thái với quá trình đẳng nhiệt  (Phương trình Bôi-Mariôt): P1 pv=const pv=const Sự thay đổi nội năng chất khí và 2 P sự thay đổi Entanpi đều bằng không: pv =const k 2’ du=0 và di=0 v1 v  Phương trình nhiệt động học thứ nhất trong quá trình đẳng nhiệt: dq=du+dl=> dq=dl v2 v2 RT v P l = ∫ pdv = ∫v dv = RT ln 2 = RT ln 1 v1 P2 v1 v1 15
Quá trình đoạn nhiệt Quán trình đoạn nhiệt là quá trình trong đó không có sự trao  đổi nhiệt với môi trường xung quanh. dq=0 Phương trình nhiệt động học thứ nhất P  1 pu=const trong quá trình đoạn nhiệt: dq=du+dl du+dl=cvdT+pdv=0 2 P dl=-du hay pdv=-cvdT puk=const 2’ Công trong quá trình được thực hiện nhờ sự thay đổi nội năng chất khí. v1 v c p − cv cp RT dT dv cv dT + dv = cv dT + Tdv = 0 + ( − 1) = 0 v v T cv v Ký hiệu k=cp/cv p1v1k = p2 v k = const 2 1− k 1− k = T2 p = const Tp k k 11 2 16
Quá trình đa biến Xét đại lượng thể hiện mối quan bởi mối quan hệ công thực  hiên của môi chất và nhiệt năng cung cấp trong quá trìnhđa biến dl dp − du du c ϕ= = = 1− = 1− v dq dq dp c Quá trình đa biến là quá trình trong đó công thực hiện bởi môi  chất tỷ lệ với nhiệt năng cung cấp, và tỷ lệ đó không đổi trong toàn bộ quá trình. Định luật nhiệt động học thứ nhất đối với quá trình đa biến:  dq=du+dl Thay và RT c p − cv dq = cdT p= = T v v dv hoặc (*) cdT = cv dT + (c p − cv )T v dT dv (c − cv ) = (c p − cv ) T v 17
Các phương trình đa biến T2 c p − cv v2 ln = Tích phân phương trình (*) ln  c − cv T1 v1 c − cv = m gọi là chỉ số đa biến Đặ t c − cv m −1 m −1 m −1 =T v =T v T1v1 22 P Áp dụng phương trình Clapayron ta được  pum=const p1v1m = p2 v2 = p v m m m=const 1− m 1− m 1− m =T P =T P TP m m m 11 22 v 18
Entropi Entropi  dq dT dv = cv +R dq=cvdT+pdv => T T v dq Đặt = ds T Đại lượng s (J/kg.K) được gọi là Entropi. T>0 nên dấu (chiều) của Entropi xác định dấu (chiều) thay đổi nhiệt năng. ds>0 nhiệt năng cung cấp cho vật thể và ngược lại. T v T Tv T p s − s0 = cv ln + R ln = c p ln − R ln 0 = c p ln − R ln  Tính Entropi T v T Tv T p 0 0 0 0 0 0 Chọn điểm đầu có thông số T0,p0,v0 Entropi bằng không. T v T p s = cv ln + R ln = c p ln − R ln T0 v0 T0 p0 19
Sự thay đổi Entropi Sự thay đổi Entropi trạng thái 1-2:  T2 v2 s2 − s1 = cv ln + R ln T1 v1 T2 s2 − s1 = cv ln Quá trình đẳng tích:  T1 T2 s2 − s1 = c p ln Quá trình đẳng áp:  T1 v2 P2 s2 − s1 = Rv ln = − R ln Quá trình đẳng nhiệt:  v1 P1 Quá trình đoạn nhiệt:dp=0 và ds=0 =>s=const. Nên quá trình này  còn được gọi là quá trình đẳng Entropi m T2 T2 s2 − s1 = (c p − R ) ln = c ln Quá trình đa biến:  m − 1 T1 T1 20