Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt - lạnh và điều hòa không khí - Chương trình đào tạo chất lượng cao (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:50

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Cơ sở kỹ thuật nhiệt - lạnh và điều hòa không khí - Chương trình đào tạo chất lượng cao (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trình độ: Cao đẳng)" được biên soạn với mục tiêu giúp sinh viên hiểu được kiến thức cơ bản nhất về kỹ thuật nhiệt - lạnh cụ thể là: các hiểu biết về chất môi giới trong hệ thống máy lạnh và điều hòa không khí, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy lạnh, cấu trúc cơ bản của hệ thống máy lạnh và điều hòa không khí.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt - lạnh và điều hòa không khí - Chương trình đào tạo chất lượng cao (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ

UBND THÀNH PHỐ CẦN THƠ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT – LẠNH VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ (CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO) NGHỀ: KỸ THUẬT MÁY LẠNH VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-CĐN ngày tháng năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ) Cần Thơ, năm 2021 (lưu hành nội bộ)
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. LỜI GIỚI THIỆU Với sự phát triển ngày càng cao của công nghệ và thiết bị mới, cơ sở kỹ thuật nhiệt động có liên quan chặt chẽ và góp phần quan trọng trong vấn đề chất lượng của thiết bị. Máy móc do nhiều nước chế tạo rất phong phú về kết cấu và đa dạng về chủng loại, nhưng nếu nắm vững kiến thức về kỹ thuật nhiệt động sẽ giúp chúng ta dễ dàng tìm hiểu nguyên lý sử dụng, bảo trì, sửa chữa và lựa chọn chủng loại phù hợp. Bên cạnh đó giáo trình còn giúp sinh viên tính toán thiết kế kho lạnh, phương pháp làm lạnh chất lỏng, chất khí, tủ lạnh gia đình, máy lạnh thương nghiệp và buồng lạnh lắp ghép, máy sản xuất nước đá, đá khô, các ứng dụng của kỹ thuật lạnh trong công nghệ thực phẩm, kỹ thuật bơm nhiệt, điều hòa không khí, vận tải lạnh cũng như các ưng dụng khác trong các ngành y tế, thể thao, cơ khí, quang học, điện tử, hóa học, khí hóa lỏng, xây dựng, vật liệu, nông lâm ngư nghiệp….và cả kỹ thuật cryo. Giáo trình môn học Cơ sở kỹ thuật nhiệt - lạnh và điều hòa không khí được biên soạn theo CTĐT 2021 theo thông tư Số: 03/2017/TT-BLĐTBXH qui định về xây dựng, thẩm định và ban hành chương trình; tổ chức biên soạn, lựa chọn, thẩm định giáo trình đào tạo trình độ cao đẳng nghề Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí chất lượng cao. Giáo trình được biên soạn với thời lượng 75 giờ. Giáo trình được biên soạn dùng cho trình độ Cao đẳng nghề. Cần Thơ, ngày …….tháng……năm 2021 Giáo viên biên soạn Nguễn Lan Phương 1
MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU................................................................................................ 1 BÀI MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 4 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT ... 5 1. Nhiệt động kỹ thuật ..................................................................................... 5 1.1. Chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới................ 5 1.2. Hơi và các thông số trạng thái của hơi ................................................ 8 1.3. Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi ........................................... 16 1.4. Chu trình nhiệt động của máy lạnh và bơm nhiệt ............................. 24 2. Truyền nhiệt ............................................................................................... 30 2.1. Dẫn nhiệt.............................................................................................. 30 2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu.......................................................................... 31 2.3. Trao đổi nhiệt bức xạ .......................................................................... 34 2.4. Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt ................................................ 35 3. Bài tập ......................................................................................................... 36 1. Khái niệm chung ........................................................................................ 37 1.1. Ý nghĩa của kỹ thuật lạnh trong đời sống và kỹ thuật....................... 37 1.2. Các phương pháp làm lạnh nhân tạo ................................................ 38 2. Môi chất lạnh và chất tải lạnh .................................................................. 39 2.1. Các môi chất lạnh thường dùng trong kỹ thuật lạnh ........................ 39 2.2. Chất tải lạnh ........................................................................................ 40 2.3. Bài tập về môi chất lạnh và chất tải lạnh ........................................... 41 3. Các hệ thống lạnh thông dụng ................................................................. 42 3.1. Hệ thống lạnh với một cấp nén ........................................................... 42 3.2. Sơ đồ 2 cấp nén có làm mát trung gian .............................................. 44 3.3. Bài tập Các sơ đồ khác. ....................................................................... 46 4. Bài tập ......................................................................................................... 46 CÁC THUẬT NGỮ CHUYÊN MÔN .............................................................. 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 48 2
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Cơ sở kỹ thuật nhiệt - lạnh và điều hòa không khí Mã môn học: MH10 Vị trí, tính chất của môn học: - Vị trí: + Là môn học cơ sở kỹ thuật chuyên ngành, chuẩn bị các kiến thức cần thiết cho các phần học kỹ thuật chuyên môn tiếp theo; - Tính chất: + Là môn học chuyên ngành. Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: -Hiểu đượckiến thức cơ bản nhất về kỹ thuật Nhiệt - Lạnh cụ thể là: Các hiểu biết về chất môi giới trong hệ thống máy lạnh và ĐHKK, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy lạnh, cấu trúc cơ bản của hệ thống máy lạnh và ĐHKK; - Về kỹ năng: -Tra bảng đượccác thông số trạng thái của môi chất, sử dụng được đồ thị, biết chuyển đổi một số đơn vị đo và giải được một số bài tập đơn giản; - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Rèn khả năng tư duy logic của sinh viên; các ứng dụng trong thực tế vận dụng để tiếp thu các kiến thức chuyên ngành. Nội dung môn học: 3
BÀI MỞ ĐẦU 1. Tầm quan trọng của những kiến thức, kỹ năng tra bảng trong chuyên nghành kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí Để tính toán thiết kế kho lạnh, phương pháp làm lạnh chất lỏng, chất khí, tủ lạnh gia đình, máy lạnh thương nghiệp và buồng lạnh lắp ghép, máy sản xuất nước đá, đá khô, các ứng dụng của kỹ thuật lạnh trong công nghệ thực phẩm, kỹ thuật bơm nhiệt, điều hòa không khí, vận tải lạnh cũng như các ưng dụng khác trong các ngành y tế, thể thao, cơ khí, quang học, điện tử, hóa học, khí hóa lỏng, xây dựng, vật liệu, nông lâm ngư nghiệp….và cả kỹ thuật cryo thì sinh viên cần phải có những kiến thức và kỹ năng tra bảng , lấy những thông số của các chất trong chu trình lạnh từ đó mới có cơ sở để tính toán và thiết kế. 2. Các tài liệu phục vụ cho việc học tập môn học này - Nguyễn Đức Lợi, “Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh”, nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội, 2007 - PGS.TS. Đinh Văn Thuận,TS. Võ Chí Chính,“ Hệ thống máy và thiết bị lạnh”, nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2005. - Trần Thanh Kỳ, “ Máy lạnh”, nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2004. - PGS.TS. Nguyễn Đức Lợi , PGS.TS.Phạm Văn Tùy, “Kỹ thuật lạnh cơ sở”, nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2004. - Hoàng Đình Tín, Đỗ Hữu Hoàng, Hoàng Thị Nam Hương, “Bài tập nhiệt động học kỹ thuật và truyền nhiệt”, nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2008. - Trần Đức Ba, Nguyễn Tấn Dũng, Lê Văn Tán, Trần Ngọc Hào, Lê Phước Hùng, Trịnh Văn Chơn, Lê Thanh Minh, “ Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa học và thực phẩm CÔNG NGHỆ LẠNH”, nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2007. -Trần Đức Ba, Nguyễn Văn Tài, “ Công nghệ lạnh thủy sản”, nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2004. - Và các bảng tra 4
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT Mã Bài: MH10 - 01 Giới thiệu: Bài học này rất quan trọng là nền tảng kiến thức để học sinh tính toán những bài tập nhiệt và thiết bị lạnh, cũng như là nền tảng cho những môn học thực hành Mục tiêu: - Hiểu đuợc các kiến thức chung nhất về kỹ thuật Nhiệt-Lạnh; - Phân tích đựoc các quá trình, nguyên lý làm việc của máy lạnh và các quy luật truyền nhiệt nói chung; - Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư duy logic, ứng dụng thực tiễn sản xuất áp dụng vào môn học cho HSSV. Nội dung chính: 1. Nhiệt động kỹ thuật 1.1. Chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới 1.1.1. Các khái niệm và định nghĩa a. Hệ nhiệt động Tập hợp các vật thể có liên quan với nhau về cơ và nhiệt ta nghiên cứu bằng nhiệt động lực học được gọi là hệ nhiệt động. Tất cả các vật khác không nằm trong hệ nhiệt động được gọi là môi trường xung quanh. Người ta có thể phân loại các hệ nhiệt động như sau: Hệ thống kín và hệ thống hở: Hệ kín là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh. Còn hệ hở là hệ có khả năng trao đổi vật chất với môi trường xung quanh. Hệ thống cô lập và không cô lập: Hệ cô lập là hệ không trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh dưới dạng nhiệt và cơ năng. Nếu hệ và môi trường chỉ không trao đổi nhiệt với nhau thì gọi là hệ đoạn nhiệt. Nếu hệ và môi trường không trao đổi cơ năng thì được gọi là hệ cô lập về phương diện cơ học. Hệ không cô lập là hệ có khả năng trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh dưới dạng cơ và nhiệt năng. b. Khí lý tưởng và khí thực Khí lý tưởng là khí không có lực tác dụng tương hổ giữa các phân tử và không có thể tích của bản thân các phân tử. Ngược lại khí thực là khí mà giữa các phân tử của nó có lực tác dụng tương hổ và có thể tích của bản thân các phân tử. Như vậy trong thực tế không có khí lý tưởng. Nếu khí thực có áp suất rất thấp và nhiệt độ rất cao thì lúc đó trong tính toán có thể xem nó là khí lý tưởng, vì khi đó lực tác dụng tương hổ giữa các phân tử rất nhỏ so với năng lượng chuyển động của chúng, đồng thời kích thước của bản thân các phân tử rất nhỏ so với khoảng cách trung bình của các phân tử (hay so với toàn bộ thể tích mà khối khí chiếm chổ). 1.1.2. Chất môi giới và các thông số trạng thái của chất môi giới a. Chất môi giới Là chất trung gian để thực hiện quá trình biến hóa giữa nhiệt và công. Trên nguyên tắc mọi chất đều có thể là chất môi giới, nhưng người ta thường sử dụng khí và hơi vì chúng thay đổi thể tích rất lớn khi có sự biến thiên nhiệt độ. 5
b. các thông số trạng thái của chất môi giới + Thể tích riêng Là thể tích của một đơn vị khối lượng V v [m3/kg] G Nghịch đảo của thể tích riêng là khối lượng riêng (khối lượng của một đơn vị thể tích). G 1   [kg/ m3] V v Đôi khi người ta còn dùng thông số trọng lượng riêng, là trọng lượng của một đơn vị thể tích. g    .g  [N/ m3] v g: gia tốc trọng trường [m/s2] + Nhiệt độ Là một đại lượng biểu thị trạng thái nhiệt của vật chất. Theo thuyết động lực học phân tử thì nhiệt độ biểu thị tốc độ chuyển động của các phân tử và nguyên tử trong nội bộ vật chất. Hiện nay người ta thường sử dụng hai thang đo nhiệt độ: - Nhiệt độ bách phân còn gòi là nhiệt độ Celsius, ký hiệu t, đơn vị 0C. - Nhiệt độ tuyệt đối còn gọi là nhiệt độ Kenvin, ký hiệu T, đơn vị độ 0K Mối quan hệ giữa hai thang nhiệt độ này được biểu diễn bằng công thức T (0K) = t (0C) + 273,15 Giá trị tại mỗi độ chia trong hai thang đo này bằng nhau, do đó dt=dT. Ngoài ra ở các nước Anh, Mỹ còn dùng thang đo nhiệt độ Fahrenheit, 0F. t(0C) = 9   5 0 t F  32  Lưu ý chỉ có nhiệt độ tuyệt đối T (0K) mới là thông số trạng thái. + Áp suất Là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích theo phương vuông góc với phương của lực. P p [N/m2] F p: áp suất P: lực tác dụng F: diện tích bình quân Áp suất do không khí ngoài trời gây ra gọi là áp suát khí quyển, ký hiệu p k đo bằng barometer. Nếu áp suất tuyệt đối p của chất khí trong bình nào đó lớn hơn áp suất khí quyển pk (p>pk) thì hiệu số của chúng (p-pk) được gọi là áp suát dư (thừa), ký hiệu pd đo bằng manometer. Pd = p – pk Nếu áp suất tuyệt đối trong bình nhỏ hơn áp suất khí quyển (p
Pck = pk – p Lưu ý chỉ có áp suất tuyệt đối p mới là thông số trạng thái. Đơn vị áp suất thường dùng trong nhiệt động lực học là Pascal, ký hiệu Pa, bội số của nó là bar 1Pa = 1N/m2 1bar = 105Pa Nhiệt dung riêng và tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng Nhiệt lượng Khi hai vật tiếp xúc nhau thì nội năng của vật nóng sẽ tự phát truyền sang vật lạnh hơn. Quá trình chuyển nội năng từ vật này sang vật khác được gọi là quá trình truyền nhiệt. Số lượng nội năng truyền đi được trong quá trình này gọi là nhiệt lượng, ký hiệu Q(kJ). Nếu tính cho 1 kg chất môi giới ta gọi là nhiệt lượng riêng, ký hiệu q(kJ/kg). 1.1.3. Nhiệt dung riêng Định nghĩa nhiệt dung và nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng của một chất là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của một đơn vị đo lường của chất dó tăng thêm 1 độ trong một quá trình nào đó. Khảo sát một quá trình nguyên tố. Nếu cung cấp cho vật một nhiệt lượng vô đQ C cùng nhỏ đQ thì nhiệt độ thay đổi một lượng dt. Tỉ số dt (kJ/độ) được gọi là nhiệt dung của vật. Đối với chất khí nhiệt dung phụ thuộc vào quá trình mà chất khí nhận nhiệt, vì đối với các quá trình khác nhau nhiệt lượng trao đổi đQ cũng khác nhau. Nếu quá trình đẳng áp ta co nhiệt dung đẳng áp, ký hiệu Cp Nếu quá trình đẳng tích ta có nhiệt dung đẳng tích, ký hiệu Cv Nếu quá trình đa biến ta có nhiệt dung đa biến, ký hiệu Cn Tỉ số giữa nhiệt dung của vật với khối lượng của nó được gọi là nhiệt dung riêng khối lượng C đQ đq c   (kJ/kg.độ) G Gdt dt Như vậy nhiệt dung riêng khối lượng là nhiệt dung riêng cấp cho 1kg chất môi giới tăng lên 1 độ trong quá trình nào đó. Nhiệt dung riêng thể tích: là nhiệt lượng cung cấp cho 1m3 chất môi giới qui về điều kiện tiêu chuẩn tăng lên 1 độ trong quá trình nào đó. C c,  (kJ/ m3.độ) Vtc Nhiệt dung riêng kmol: là nhiệt lượng cung cấp cho 1kmol chất môi giới tăng lên 1 độ trong quá trình nào đó. 7
C c  M (kJ/kmol.độ) Giữa 3 loại nhiệt dung riêng này có mối quan hệ sau c c  c , .Vtc   c c , c   Vtc 22,4 Cũng giống như nhiệt dung riêng chất khí, tùy thuộc vào quá trình xảy ra mà ta có nhiệt dung riêng đẳng áp, nhiệt dung riêng đẳng tích , nhiệt dung riêng đa biến. Đối với khí lý tưởng, tùy thuộc vào quá trình xảy ra mà ta có nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích xác định bằng công thức Mayer cp – cv = R Tỉ số giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích được gọi là số mũ đoạn nhiệt. cp k cv Suy ra cp – cv = R  kcv –cv = R R  cv  k 1 k cp  R k 1 Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng q  t2 dq c c t1 t 2  t1 ta có thể tính được Từ định nghĩa nhiệt dung riêng dt và nhiệt lượng cung cấp cho 1kg chất môi giói trong quá trình nào đó dq = c.dt t2 t2 q   cdt  c t 2  t1  t1 t1 Nếu ta có một lượng vật chất bất kỳ, ta tính: Q  G.c.t Q  Vtc .c , .t Q  M .c.t G: khối lượng kg Vtc: thể tích ở điều kiện chuẩn m3tc M: số kmol t : t2 – t1 1.2. Hơi và các thông số trạng thái của hơi 1.2.1. Các thể (pha) của vật chất Hơi nước được sư dụng rộng rãi trong các ngành năng lượng cũng như trong nhiều ngành công nghiệp khác vì nó có rất nhiều tính ưu việtso với các chất khác. Trước 8
hết nước có rất nhiều trong tự nhiên, rẻ tiền, không độc hại và không ăn mòn thiết bị, sau nữa hơi nước có đầy đủ mọi tính chất nhiệt động cần thiết đối với vai trò một chất môi giới trong các thiết bị nhiệt. Phương pháp nghiên cứu và các kết luận rút ra sau đây không những sử dụng được cho hơi nước mà còn dùng được cho hơi các chất khác như: amoniac, thủy ngân… Hơi nước thường dùng ở trạng thái bảo hòa hay không xa trạng thái bảo hòa mấy, cho nên không thể bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử cũng như thể tích bản thân các phân tử. Vì vậy không thể dùng phương trình trạng thái của khí lý tưởng để tính toán được. Hiện nay người ta sử dụng phương trình Vucalovich – Novikov làm cơ sở để tính toán hơi nước. a c (p )(v  b)  RT (1  3 2 m ) v2 2 vT a,b,c,m là những hệ số không đổi xác định bằng thực nghiệm. Nước có thể biến thành hơi nước nhờ sự bay hơi hay sôi, ta gọi chung là quá trình hóa hơi. Nếu quá trình hóa hơi chỉ xảy ra trên bề mặt chất lỏng ở nhiệt độ bất kì thì ta gọi đó là quá trình bay hơi… Cường độ bay hơi phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất lỏng. Nhiệt độ tăng, cường độ bay hơi tăng. Trong không gian vô hạn chất lỏng có thể bay hơi hoàn toàn. Cung cấp nhiệt cho chất lỏng, nhiệt độ và cường độ bay hơi của chất lỏng tăng, đến nhiệt độ hoàn toàn xác định nào đó, tùy theo bản chất chất lỏng và áp suất trên chất lỏng thì hiện tượng tạo thành hơi nước không chỉ tiên hành trên bề mạt còn tiến hành trong toàn bộ thể tích chất lỏng. Hiện tượng này gọi là sự sôi. Trong quá trình sôi, nếu giữ áp suất không đổi thì nhiệt độ cũng khong đổi, ta gọi nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hòa, ký hiệu ts(Ts). Quá trình ngược với quá trình sôi( trong đó hơi nhã nhiệt và biến thành chất lỏng) gọi là quá trình ngưng tụ. Quá trình này cũng tiến hành ở nhiệt độ không đổi nếu giữ cho áp suất không đổi. Nếu chất lỏng sôi trong không gian có hạn thì đồng thời quá trình sôi còn có quá trình ngưng tụ ngược lại (ví dụ trong lò hơi). Đến một lúc nào đó, tốc độ hóa hơi bằng tốc độ ngưng tụ thì hệ thông hai pha này đạt tới trạng thái cân bằng động. Hơi ở trạng thái đó có mật độ lớn nhất, được gọi là hơi bão hòa mà đặc tính quan trọng của nó là nhiệt độ là hàm số của áp suất của hơi. Đối với hơi bão hòa, người ta còn phân biệt hơi bão hòa khô và hơi bão hòa ẩm. Hơi bão hòa khô là hơi bão hòa nhưng trong hơi không còn lẫn những hạt nước nhỏ chưa kịp bay hơi hêt. Trạng thái hơi bão hòa khô được xác định bằng một thông số (áp suất p hay nhiệt độ sôi Ts). Hơi bão hòa ẩm là hơi bão hòa mà trong đó còn lẫn những hạt nước nhỏ chưa kịp bay hơi hết. Có thể xem nó như hỗn hợp của hơi bão hòa khô và nước sôi. Trong thực tế việc tạo thành hơi nước thường nhận được hơi ẩm vì quá trình tách bọt hơi khỏi bề mặt thoáng luôn luôn kéo theo một phần hơi nước vào không gian. Hơi ẩm có tính năng kỹ thuật không cao lại còn có thể gây ra hư hỏng các chi tiết của động cơ nhiệt. 9
Hơi quá nhiệt là hơi có cùng áp suất với hơi bão hòa nhưng có nhiệt độ cao hơn hay ở cùng nhiệt độ của hơi bão hòa thì hơi quá nhiệt có áp suất thấp hơn. Hiệu số giữa nhiệt độ của hơi quá nhiệt và nhiệt độ của hơi bão hòa ở cùng áp suất được gọi là độ quá nhiệt, kí hiệu Tqn Tqn = T – Ts 1.2.2. Quá trình hoá hơi đẳng áp Giả thiết trong xi lanh có chứa 1kg nước áp suất p, nhiệt độ 00C. Sự di chuyển của pittong trong xi lanh có thẻ thực hiện dễ dàng để luôn luôn đảm bảo cho áp suất trong xi lanh không đổi và bằng p(p=const). Trạng thái ban đầu của nước được biểu thị bằng điểm a, ứng với thể tích riêng v0. Nếu ta cấp nhiệt cho nước mà vẫn giữ cho áp suất trong xi lanh không đổi thì nhiệt độ tăng lên. Khi nhiệt độ của nước đạt đến nhiệt độ Ts( nhiệt độ sôi ứng với áp suất p) thì nước trong xi lanh sẽ sôi. Trạng thái này được biểu diễn bằng điểm b. Nếu ta tiếp tục cung cấp nhiệt thì nước sôi trong xi lanh sẽ bắt đầu hóa hơi và quá trình hóa hơi kết thúc 10
khi toàn bộ nước trong xi lanh đã hoàn toàn biến thành hơi bão hòa khô, trạng thái đó được đặc trưng bằng điểm c. Thực nghiệm chứng tỏ rằng quá trình hóa hơi được thực hiện ở nhiệt độ không đổi (Ts) nếu vẫn giữ nguyên áp suất p không đổi. Sau đấy nếu vẫn tiếp tục cung cấp nhiệt thì nhiệt độ và thể tích riêng của hơi nước tăng lên, hơi nước biến thành hơi hóa nhiệt. Trạng thái hơi hóa nhiệt ở áp suất p được đặc trưng bằng những điểm nằm bên phải điểm c (thí dụ điểm d). Như vậy quá trình hóa hơi đẳng áp tiến hành giai đoạn kế tiếp nhau: ab: gia nhiệt cho nước từ 00C(2730K) đến nhiệt độ bão hoà ts (Ts). bc: hóa hơi ở nhiệt độ Ts không đổi cd : quá nhiệt cho T>Ts Ta kí hiệu các chỉ số của các thông số v,u,i như sau : 0 : nước ở 00C ‘ : nước sôi “ : hơi bão hòa khô Không có chỉ số : hơi hóa nhiệt 1.2.3. Các đường giới hạn và các miền trạng thái của nước và hơi; Nếu thực hiện các quá trình hóa hơi đẳng áp khác nhau và nối những đường đặc trưng ở 00C(a,a’,a”…), của nước sôi (b,b’,b”…), của hơi bão hòa khô (c,c’,c”…) chúng ta sẽ nhận được các đường cong đặc tính : Đường cong a0aa’a”…là những đường đẳng nhiệt của nước ở 00C. Đường này hầu như song song với trục tung vì nước ít chịu nén. Đường a0bb’b”…biểu thị trạng thái nước sôi ở những áp suất khác nhau gọi là đường giới hạn dưới. Đường cc’c”…đặc trưng cho trạng thái hơi bão hòa khô với những áp suất khác nhau gọi là đường giới hạn trên. Đường giới hạn dưới và đường giới hạn trên gặp nhau ở điểm K gọi là điểm tới hạn. Các thông số của mỗi chất ở điểm tới hạn gọi là thông số tới hạn. Chúng là những thông số nhiệt động quan trọng của vật chất. Nước có: pk = 221,29 bar tk = 374,150C (Tk = 647,30K) vk = 0,00326 m3/Kg ik = 2156,2 KJ/Kg sk = 4.43 Kj/Kg.độ Ở nhiệt độ lớn hơn trị số tới hạn chỉ tồn tại hơi hóa nhiệt. Hai đường giới hạn trên và giới hạn dưới chia đồ thị p-v ra làm 3 vùng: vùng nước chưa sôi, vùng hơi quá nhiệt và vùng hơi bão hòa ẩm. 11
Ở vùng hơi bão hòa ẩm thì áp suất và nhiệt độ không còn là 2 thông số độc lập nữa. Vì vậy với hơi bão hòa ẩm người ta còn dung them một thông số nữa gọi là độ khô, kí hiệu x. Độ khô là thành phần khối lượng của hơi bão hòa khô trong hơi ẩm: 𝐺 𝑘ℎô 𝐺 𝑘ℎô 𝑥= = 𝐺ẩ𝑚 𝐺 𝑛ướ𝑐 + 𝐺 𝑘ℎô Như vậy đường giới hạn trên có x=1, đường giới hạn dưới có x=0, còn khu vực giữa hai đường giới hạn có 0
III: lỏng IV: rắn + lỏng V: rắn VI: hơi bão hòa + rắn a. BẢNG NƯỚC VÀ HƠI NƯỚC TRÊN ĐƯỜNG BÃO HÒA Cho ta các thông số trạng thái của nước sôi (v’,i’,s’) và hơi nước bão hòa khô (v”,i”,s”) theo áp suất hoặc nhiệt độ sôi. Trong bảng này còn cho ta biết được nhiệt lượng cần dùng để đưa 1Kg nước sôi thành hơi bão hòa khô khi p=const, người ta vẫn thường gọi là nhiệt hóa hơi( nhiệt ẩn hoa hơi) ký hiệu bằng chữ r. 𝑟 = 𝑞 = ∆𝑢 + 𝑝. ∆𝑣 = 𝑢"-u'+p(v" − 𝑣′) = 𝑖" − 𝑖′ Bảng nước và hơi nước bão hòa theo nhiệt độ t p v’ v” Kg/ i i” r s’ S” 0 ba m3/K m3/K m3 ’ KJ/K KJ/K Kj/Kg.đ Kj/Kg.đ C r g g KJ/Kg g g ộ ộ Bảng nước và hơi nước bão hòa theo áp suất p t v’ v” Kg/ i i” r s’ S” ba 0 m3/K m3/K m3 ’ KJ/K KJ/K Kj/Kg.đ Kj/Kg.đ r C g g KJ/Kg g g ộ ộ Như vậy sử dụng bảng này ta chỉ cần biết áp suất hay nhiệt độ sôi là có thể xác định được các thông số còn lại( thông số thư hai đã biết là x=0 hoặc x=1) của nước sôi hay hơi bão hòa khô. Nếu biết áp suất (hay Ts) dựa vào BNVHN bão hòa , ta tìm được các giá trị v’, v”, i’, i”, s’, s” rồi dựa vào công thức sau đây để tìm các thông số v x, sx, ix của hơi bão hòa ẩm. 𝜑 𝑥 = x. φ" + (1 − x). φ′ Trong đó: 𝜑 𝑥 : thông số của hơi bão hòa ẩm (vx, sx, ix, ux) φ′ , φ" : thông số tương ứng của nước sôi và hơi bão hòa khô ở cùng áp suất. Nếu biết áp suất (hay Ts) và một thông số bất kỳ của hơi bão hòa ẩm 𝜑 𝑥 , ta có thể tính được độ khô của nó theo công thức: 𝜑 𝑥 − 𝜑′ 𝑥= " 𝜑 − 𝜑′ Sau khi xác định được x, ta sử dụng công thức trên để xác định các thông số còn lại. b. BẢNG NƯỚC VÀ HƠI QUÁ NHIỆT Bảng này cho ta thông số v, i, s của nước chưa sôi và hơi quá nhiệt theo p và t. Để xác định các thông số trạng thái của nước chưa soi và hơi quá nhiệt, ta phải biết 2 thông số độc lập (thường là p và t). 13
Trong cả hai bảng và đồ thị, hơi nước đều không cho giá trị nội năng u. Muốn xác định u, ta có thể tính theo công thức: 𝑢 = 𝑖 − 𝑝. 𝑣 2 u: J/Kg i: J/Kg p: N/m v: m3/Kg Để biết hơi nước là hơi bão hòa khô hay hơi quá nhiệt, hay nước chưa sôi khi ta có thông số p(ts) và 𝜑 bất kỳ của nó. Ta tiến hành như sau: Trước hết tra bảng NVHN bão hòa theo p (hay Ts), sau đó so sánh 𝜑 với 𝜑′ , 𝜑" . Nếu 𝜑 > 𝜑" : hơi quá nhiệt 𝜑 = 𝜑" : hơi bão hòa khô 𝜑′ < 𝜑 < 𝜑" : hơi bão hòa ẩm 𝜑 = 𝜑′ : nước sôi, 𝜑 = 𝜑′ : nước chưa sôi. P Thông số t0C bar 20 40 60 80 0,04 v Vùng hơi quá nhiệt i s 0,08 v Vùng nước chưa sôi i s * ĐỒ THỊ i-s VÀ T-s CỦA HƠI NƯỚC Việc dùng các bảng hơi nước để tính toán các quá trình biến đổi trạng thái của hơi nước cũng gặp nhiều khó khăn vì phải qua nhiều tính toán. Do đó trong kỹ thuật người ta sử dụng phổ biến phương pháp đồ thị. Phương pháp này có ưu điểm là xác định nhanh chóng các thông số trạng thái ban đầu, cuối và trung gian của quá trình, thuận tiện trong việc phân tích điịnh tính các quá trình công tác của động cơ nhiệt.Hiện nay đồ thị thường dùng phổ biến là đồ thị T-s và i-s của hơi nước. 14
* ĐỒ THỊ T-s CỦA HƠI NƯỚC AK: là đường giới hạn dưới. KB: là dường giới hạn trên Vùng giới hạn bởi AK và KB là vùng hơi bão hòa ẩm, phía trái đường AK là pha lỏng, phía phải đường KB là hơi quá nhiệt. Trên đồ thị còn biễu diễn cấc đường: Đường đẳng áp của hơi nước ở nhệt độ không cao lắm có thể xem gần đúng như trùng với dường x=0. Trong vùng hơi ẩm, đường đẳng áp trùng với đường đẳng nhiệt, trong vùng hơi quá nhiệt, đường đẳng áp có dạng logarit. Đườn đẳng tích (v=const) dốc hơn đường đẳng áp ở cả hai khu vực bão hòa ẩm và quá nhiệt. * ĐỒ THỊ i-s CỦA HƠI NƯỚC. OK: đường giới hạn dưới KC: đường giới hạn trên Chùm các đường cong xòe ra từ điểm K xuống dưới là những đường có độ khô không đổi. Các đường đẳng áp trong vùng nước ở áp suất không cao làm chúng có thể xem như trùng với đường giới hạn dưới. Trong vùng hơi ẩm, các đường đẳng áp trùng với đường đẳng nhiệt và là những đoạn thẳng đi lên từ trái sang phải. Trong vùng hơi quá nhiệt, những đường đẳng áp có dạng đường cong (logarit) bề lồi hướng về trục hoành. Đường đẳng nhiệt trong vùng hơi quá nhiệt là những đường cong, bề lồi hướng về phía trên. Đường đẳng tích dốc hơn đường đẳng áp một chút ở cả 2 khu vực bão hòa ẩm và quá nhiệt. Vì phần bên phải đồ thị i-s các đường cắt nhau dưới góc rất nhỏ và tại đường này giá trị Etanpi rất nhỏ, khó sử dụng nên thường bị cắt bỏ. 15
1.3. Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi 1.3.1. Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi trên đồ thị lgp-h Để tính các quá trình nhiệt của hơi nước, ta phải xác định các thông số trạng thái đầu và cuối của quá trình, sự thay đổi nội năng, entanpi, entropi, công và nhiệt trong quá trình. Việc xác định các thông số trạng thái của hơi nước có thể hoàn toàn bằng phương pháp giải tích. Tuy nhiên phương pháp này gặp nhiều khó khăn vì phương trình trạng thái của hơi nước có dạng phức tạp, hơn nữa cần phải biết rõ sự thay đổi thể thái của hơi nước trong quá trình vì các công thức xác định các đại lượng vật lý của từng loại thể thái có dạng khác nhau. Do đó trong thực tế người ta thường áp dụng phương pháp đồ thị mà phổ biến là đồ thị i-s của hơi nước. Ưu điểm cơ bản của phương pháp này là đơn giản, khá chính xác, có thể dùng cho bất kỳ quá trình nào mà không cần biết rõ sự thay đổi thể thái của hơi nước trong quá trình đó. Ta tính: - Căn cứ vào số liệu đã cho của bài toán mà biễu diễn quá trình lên đồ thị i-s, rồi từ đó xác định các thông số đầu và cuối của hơi nước trong quá trình. - Xác định u, nhiệt lượng và công của quá trình. a. QUÁ TRÌNH ĐẲNG TÍCH (v=const) Quá trình đẳng tích được biễu diễn bằng đường v=const. Nếu cho biết trạng thái ban đầu 1(p1,t) và nhiệt độ cuối t2 thì trên đồ thị, ta xác định các thông số còn lại như sau: Xác định điểm 1 bằng cách tìm giao điểm của hai đường đẳng áp p=p1 và đường đẳng nhiệt t=t1. Từ điểm 1 xác định v1,i1,s1. Điểm 2 xác định bằng cách theo đường v=v1=const cho cắt đường t=t2=const. Từ điểm 2 xác định các thông số p2,i2,s2. Công thay đổi thể tích đl=p.dv=0 (vì dv=0) => l=00 Biến đổi nội năng ∆𝑢 = ( 𝑖2 − 𝑝2 𝑣2 ) − ( 𝑖1 − 𝑝1 𝑣1 ) = 𝑖2 − 𝑖1 − 𝑣(𝑝2 − 𝑝1 ) Nhiệt lượng 𝑞 = ∆𝑢 + 𝑙 = ∆𝑢 b. QUÁ TRÌNH ĐẲNG ÁP (p=const) Cách xác định các thông số trạng thái tương tự như quá trình đẳng tích, có điều trạng thái 2 ta biết p2 = p1 = const và một thông số khác đã cho (thí dụ t2). 16
Công của quá trình v2 𝑙 = ∫ p. dv = p(v2 − v1 ) v1 Biến đổi nội năng ∆u = i2 − i1 − p(v2 − v1 ) Nhiệt lượng: 𝑞 = ∆𝑢 + 𝑙 = i2 − i1 c. QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT (T=const) Biến đổi nội năng: ∆𝑢 = i2 − i1 − (𝑝2 𝑣2 − 𝑝1 𝑣1 ) Nhiệt lượng: s2 𝑞 = ∫ T. ds = T(s2 − s1 ) s1 Công của quá trình: 𝑙 = 𝑞 − ∆𝑢 17
c. QUÁ TRÌNH ĐOẠN NHIỆT (s=const) đQ q = 0 => ds = = 0 => s=const T Nhiệt lượng của quá trình: q=0 Biến đổi nội năng: ∆𝑢 = (i2 − 𝑝2 𝑣2 ) − (i1 − 𝑝1 𝑣1 ) = i2 − i1 − (𝑝2 𝑣2 − 𝑝1 𝑣1 ) Công của quá trình: 𝑙 = −∆𝑢 (𝑙 𝑘𝑡 = −∆𝑖, 𝑑𝑜 đ𝑞 = đ𝑖 + đ𝑙 𝑘𝑡 = 0 => đ𝑙 𝑘𝑡 = −đ𝑖) Đối với quá trình đoạn nhiệt của hơi nước đôi khi người ta còn áp dụng phương trình: 𝑝𝑣 𝑘 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. Nhưng khác với khí lý tưởng ở chổ chỉ số k không có ý nghĩa vật 𝑐𝑝 lý gì mà chỉ là con số thực nghiệm (𝑘 ≠ ) 𝑐𝑣 1.3.2. Quá trình lưu động và tiết lưu A. Quá trình lưu động Sự chuyển động của môi chất gọi là lưu động. Khi khảo sát dòng lưu động, ngoài các thông số trạng thái như áp suất, nhiệt độ . . . . ta còn phải xét một thông số nữa là tốc độ, kí hiệu là ω?. + Các điều kiện khảo sát Để đơn giản, khi khảo sát ta giả thiết : - Dòng lưu động là ổn định: nghĩa là các thông số của môi chất không thay đổi theo thời gian . - Dòng lưu động một chiều: vận tốc dòng không thay đổi trong tiết diện ngang. - Quá trình lưu động là đoạn nhiệt: bỏ qua nhiệt do ma sát và dòng không trao đổi nhiệt với môi trường. - Quá trình lưu động là liên tục: các thông số của dòng thay đổi một cách liên tục, không bị ngắt quảng và tuân theo phương trình liên tục: G = ω?.ρ?.f = const ở đây: G – lưu lượng khối lượng [kg/s]; ω? - vận tốc của dòng [m/s]; 18