Trinh Nhiet Dong Luc Hoc Ky Thuat

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT TP HCM

GVC.ThS. LEÂ KIM DÖÔÕNG

GIAÙO TRÌNH BAØI GIAÛNG

MOÂN HOÏC:

NHIEÄT ÑOÄNG LÖÏC HOÏC KYÕ THUAÄT

Thaùng 1 naêm 2005

1

MUÏC LUÏC

Chöông 1: Nhöõng khaùi nieäm cô baûn. ----------------------------------------------------

1.1: Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa maùy nhieät. -------------------------------------------------

1.2: Heä nhieät ñoäng vaø phaân loaïi.---------------------------------------------------------

1.3: Chaát moâi giôùi.-------------------------------------------------------------------------

1.4: Traïng thaùi vaø thoâng soá traïng thaùi nhieät ñoäng.------------------------------- ---

1.4.1: Thoâng soá traïng thaùi. -----------------------------------------------------------

1.4.2: Phöông trình traïng thaùi. -----------------------------------------------------

Chöông 2: Chaát moâi giôùi. -----------------------------------------------------------------

2.1: Ñònh nghóa.----- -----------------------------------------------------------------------

2.2: Hoån hôïp khí lyù töôûng. ----------------------------------------------------------------

2.2.1: Ñònh luaät Gip – Dalton. ------------------------------------------------------

2.2.2: Bieåu thò thaønh phaàn hoãn hôïp. -----------------------------------------------

2.2.3: Xaùc ñònh caùc ñaïi löôïng cuûa hoãn hôïp. --------------------------------------

2.2.4: Phaân aùp suaát thaønh phaàn. ---------------------------------------------------

2.3: Khí thöïc. ------------------------------------------------------------------------------

2.3.1: Khaùi nieäm. -------------------------------------------------------------------------

2.3.2: Quaù trình hoaù hôi ñaúng aùp (hôi nöôùc ). ------------------------------------

2.3.3: Phöông phaùp xaùc ñònh thoâng soá traïng thaùi cuûa hôi. ----------------------

2.4: Khoâng khí aåm. ------------------------------------------------------------------------

2.4.1: Ñònh nghóa. --------------------------------------------------------------------

2.4.2: Phaân loaïi. ----------------------------------------------------------------------

2.4.3: Caùc thoâng soá ñaëc tröng cuûa khoâng khí aåm. --------------------------------

2.4.4: Ñoà thò i-d cuûa khoâng khí aåm. -----------------------------------------------

Chöông 3: Nhieät vaø coâng. ---------------------------------------------------------------

3.1: Quaù trình nhieät ñoäng. ---------------------------------------------------------------

3.2: Nhieät löôïng vaø caùch tính nhieät löôïng theo nhieät dung rieâng. ------------------

3.2.1: Ñònh nghóa nhieät dung rieâng. ------------------------------------------------

3.2.2: Phaân loaïi. ----------------------------------------------------------------------

3.2.3: Söï phuï thuoäc nhieät dung rieâng vaøo nhieät ñoä. ------------------------------

3.2.4: Tính nhieät löôïng theo nhieät dung rieâng. -----------------------------------

3.2.5: Nhieät dung rieâng cuûa hoãn hôïp khí lyù töôûng. ------------------------------

5

5

5

6

6

6

9

11

11

11

11

12

13

15

15

15

16

18

21

21

21

22

24

27

27

27

27

27

28

29

30

Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn

Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn

Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

2

3.3: Caùc loaïi coâng. ------------------------------------------------------------------------

3.3.1: Coâng thay ñoåi theå tích. -------------------------------------------------------

3.3.2: Coâng kyõ thuaät. ----------------------------------------------------------------

Chöông 4:Ñònh luaät nhieät ñoäng thöù nhaát. -----------------------------------------------

4.1: Noäi dung,yù nghóa ñònh luaät. --------------------------------------------------------

4.2: Phöông trình ñònh luaät nhieät ñoäng thöù nhaát. -------------------------------------

4.2.1: Phöông trình caân baèng naêng löôïng toång quaùt. ----------------------------

4.2.2: Phöông trình ñònh luaät thöù nhaát cho heä kín vaø hôû. ------------------------

4.2.3: Phöông trình ñònh luaät thöù nhaát quaù trình löu ñoäng. ----------------------

4.2.4: Phöông trình ñònh luaät thöù nhaát ñoái vôùi quaù trình hoån hôïp. -------------

4.3: Öùng duïng ñònh luaät thöù nhaát ñeå tính bieán thieân caùc haøm traïng thaùi vaø caùc

thoâng soá quaù trình. ------------------------------------------------------------------------

4.3.1: Caùc quaù trình nhieät ñoäng cô baûn cuûa khí lyù töôûng. -----------------------

4.3.2: Caùc quaù trình nhieät ñoäng cô baûn cuûa khí thöïc. ---------------------------

Chöông 5: Caùc quaù trình nhieät ñoäng cuûa khí vaø hôi. ----------------------------------

5.1: Quùa trình neùn khí hoaëc hôi. -----------------------------------------------------

5.1.1: Khaùi nieäm. ----------------------------------------------------------------------

5.1.2: Quaù trình neùn khí trong maùy neùn piston moät caáp.--------------------------

5.1.3: Quaù trình neùn khí trong maùy neùn piston nhieàu caáp. ----------------------

5.2: Quaù trình löu ñoäng . -----------------------------------------------------------------

5.2.1: Khaùi nieäm. ---------------------------------------------------------------------

5.2.2: Caùc giaû thieát khi nghieân cöùu quaù trình löu ñoäng. -------------------------

5.2.3: Caùc coâng thöùc cô baûn cuûa quaù trình löu ñoäng. ----------------------------

5.2.4: Söï phuï thuoäc hình daïng oáng daãn vaøo toác ñoä khi löu ñoäng. -------------

5.3: Quaù trình tieát löu. --------------------------------------------------------------------

5.3.1: Khaùi nieäm vaø ñaëc ñieåm quaù trình tieát löu. --------------------------------

5.3.2: Hieäu öùng Joule-Thomson. --------------------------------------------------

Chöông 6: Ñònh luaät nhieät ñoäng thöù hai. -----------------------------------------------

6.1: Chu trình nhieät ñoäng. ----------------------------------------------------------------

6.1.1: Ñònh nghóa veà chu trình. -----------------------------------------------------

6.1.2: Chu trình thuaän chieàu. --------------------------------------------------------

6.1.3: Chu trình nghòch chieàu. ------------------------------------------------------

6.1.4: Coâng cuûa chu trình. -----------------------------------------------------------

6.1.5: Hieäu suaát nhieät,heä soá laøm laïnh,heä soá bôm nhieät. ------------------------

31

31

31

33

33

33

33

33

34

34

35

35

43

46

46

46

46

49

53

53

53

55

58

61

61

62

63

63

63

63

63

63

64




3

6.1.6: Chu trình Carnot. --------------------------------------------------------------

6.2: Ñònh luaät nhieät ñoäng thöù hai. -------------------------------------------------------

6.2.1: Noäi dung vaø caùch phaùt bieåu. -------------------------------------------------

6.2.2: Ñoä bieán thieân entropy cuûa heä nhieät ñoäng. ---------------------------------

6.3: Exergy. ---------------------------------------------------------------------------------

6.3.1: Khaùi nieäm. ---------------------------------------------------------------------

6.3.2: Caùc bieåu thöùc veà exergy. ----------------------------------------------------

Chöông 7: Chu trình thuaän chieàu. -------------------------------------------------------

7.1: Ñònh nghóa vaø phaân loaïi. -----------------------------------------------------------

7.2: Chu trình ñoäng cô ñoát trong (kieåu piston). ---------------------------------------

7.2.1: Chu trình ñoäng cô ñoát trong caáp nhieät ñaúng tích. -------------------------

7.2.2: Chu trình ñoäng cô ñoát trong caáp nhieät ñaúng aùp. -------------------------

7.2.3: Chu trình ñoäng cô ñoát trong caáp nhieät hoãn hôïp. --------------------------

7.2.4: So saùnh hieäu suaát nhieät. ------------------------------------------------------

7.3: Chu trình turbine khí. ---------------------------------------------------------------

7.3.1: Chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng aùp. ----------------------------------

7.3.2: Chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng aùp coù hoài nhieät. -------------------

7.3.3: Chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng tích. ---------------------------------

7.3.4: Chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng tích coù hoài nhieät. ------------------

7.4: Chu trình ñoäng cô phaûn löïc. -----------------------------------------------------

7.4.1: Chu trình ñoäng cô phaûn löïc tröïc löu. --------------------------------------

7.4.2: Chu trình ñoäng cô phaûn löïc turbine maùy neùn. ----------------------------

7.4.3: Chu trình teân löûa. -------------------------------------------------------------

7.5: Chu trình ñoäng löïc thieát bò hôi nöôùc. ---------------------------------------------

7.5.1: Chu trình Carnot khí thöïc.(hôi nöôùc) ----------------------------------------

7.5.2: Chu trình Rankine. ------------------------------------------------------------

7.5.3: Caùc bieän phaùp naâng cao hieäu suaát nhieät cuûa chu trình khí thöïc.--------

7.5.4: Chu trình quaù nhieät trung gian. ---------------------------------------------

7.5.5: Chu trình hoài nhieät. -----------------------------------------------------------

7.5.6: Chu trình gheùp. ----------------------------------------------------------------

7.5.7: Chu trình caáp nhieät caáp ñieän. -----------------------------------------------

65

67

67

67

69

69

69

71

71

71

72

74

76

77

79

79

81

83

85

86

86

87

89

91

91

92

94

96

97

100

102




4

Chöông 8: Chu trình ngöôïc chieàu. -------------------------------------------------

8.1: Ñònh nghóa vaø phaân loaïi. ------------------------------------------------------------

8.1.1: Ñònh nghóa. --------------------------------------------------------------------

8.1.2: Phaân loaïi. ----------------------------------------------------------------------

8.2: Chu trình maùy laïnh vaø bôm nhieät duøng khoâng khí. -----------------------------

8.3: Chu trình maùy laïnh duøng hôi. -----------------------------------------------------

8.3.1: Chu trình maùy laïnh coù maùy neùn. -------------------------------------------

8.3.2: Chu trình maùy laïnh eùjecteur. ------------------------------------------------

8.3.3: Chu trình maùy laïnh haáp thuï. -----------------------------------------------

Baøi taäp. ----------------------------------------------------------------------------

Baûng. ----------------------------------------------------------------------------

Ñoà thò. -----------------------------------------------------------------------------

104

104

104

104

105

107

107

109

111

113

117

132




- - 5

CHÖÔNG 1

NHÖÕNG KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN

1.1: NGUYEÂN LYÙ LAØM VIEÄC CUÛA MAÙY NHIEÄT

Maùy nhieät laø thieát bò thöïc hieän quaù trình chuyeån hoaù giöõa nhieät naêng vaø cô

naêng ôû hai nguoàn noùng (T1) vaø laïnh (T2).

Maùy nhieät ñöôïc chia laøm hai nhoùm: Nhoùm ñoäng cô nhieät vaø nhoùm maùy laïnh,

bôm nhieät.

Ñoäng cô nhieät: Goàm maùy hôi nöôùc, ñoäng cô ñoát trong, ñoäng cô phaûn löïc, turbine

hôi, turbine khí,… loaïi naøy laøm vieäc theo nguyeân lyù chaát moâi giôùi nhaän nhieät (Q1) töø

nguoàn noùng ( quaù trình chaùy nhieân lieäu), keá ñeán laø giaõn nôõ ñeå bieán moät phaàn nhieät

thaønh coâng (L0), sau ñoù chaát moâi giôùi nhaû phaàn nhieät (Q2) cho nguoàn laïnh. Q1 - Q2 =

L0 .

Maùy laïnh vaø bôm nhieät : Laøm vieäc theo nguyeân lyù maùy tieâu hao naêng löôïng L0,

chaát moâi giôùi nhaän nhieät (Q2) töø nguoàn laïnh ñeå laøm laïnh vaät, roài truyeàn (Q2) vaø (L0)

cho nguoàn noùng. Maùy laïnh söû duïng nhieät (Q2) ñeå laøm laïnh vaät coøn bôm nhieät söû duïng

(Q1) ñeå söôûi aám hoaëc saáy.

Nhieät vaø coâng laø caùc daïng naêng löôïng laø caùc ñaïi löôïng vaät lyù phuï thuoäc

vaøo quaù trình.

Qui öôùc: Nhieät nhaän Q > 0

Nhieät nhaû Q < 0

Coâng sinh ra L > 0

Coâng tieâu hao L < 0

Ñôn vò: 1cal = 4,18 J

1 Btu = 252 cal (British Thermal Unit)

1 Btu/h = 0,3 W.

1.2: HEÄ NHIEÄT ÑOÄNG VAØ PHAÂN LOAÏI .

Heä nhieät ñoäng laø moät vaät hoaëc nhieàu vaät ñöôïc taùch ra ñeå nghieân cöùu nhöõng tính

chaát nhieät ñoäng cuûa noù. Heä nhieät ñoäng bao goàm :

a/ Heä kín vaø heä hôû:

Ñoái vôùi heä kín chaát moâi giôùi khoâng bao giôø ñi xuyeân qua beà maët ranh giôùi ngaên

caùch giöõa heä thoáng vôùi moâi tröôøng, khoái löôïng chaát moâi giôùi xem laø khoâng ñoåi. (moâi

chaát trong maùy laïnh…).

Ngöôïc laïi heä thoáng hôû chaát moâi giôùi coù theå vaøo vaø ra khoûi heä thoáng. (ñoäng cô

ñoát trong, ñoäng cô phaûn löïc, ñoäng cô turbine…).

b/ Heä coâ laäp vaø heä ñoaïn nhieät:

Moät heä thoáng ñöôïc goïi laø coâ laäp khi hoaøn toaøn khoâng trao ñoåi naêng löôïng naøo

(nhieät vaø cô naêng) giöõa chaát moâi giôùi vaø moâi tröôøng.




- - 6

Neáu giöõa heä vaø moâi tröôøng chæ khoâng coù söï trao ñoåi nhieät maø thoâi thì goïi laø he ä

ñoaïn nhieät.

1.3: CHAÁT MOÂI GIÔÙI.

Chaát moâi giôùi (CMG)laø chaát trung gian duøng ñeå thöïc hieän caùc chuyeån bieán veà

naêng löôïng.

Chaát moâi giôùi ñöôïc söû duïng trong nhieät ñoäng thöôøng ôû daïng khí hoaëc hôi. (chaát

moâi giôùi ñöôïc xem laø ôû daïng khí khi caùc thoâng soá thöôøng gaëp ôû xa traïng thaùi baõo hoøa,

loaïi naøy nhieät ñoä tôùi haïn thaáp. Ngöôïc laïi chaát moâi giôùi ñöôïc goïi laø daïng hôi.)

Trong nhieät ñoäng kyõ thuaät chaát moâi giôùi ôû daïng khí ñöôïc chia laøm hai loaïi: Khí

lyù töôûng vaø khí thöïc.

Chaát khí ñöôïc xem laø khí lyù töôûng khi hoäi ñuû 2 yeáu toá :

- Theå tích baûn thaân phaân töû khí baèng khoâng.

- Löïc töông taùc giöõa caùc phaân töû cuõng baèng khoâng.

Coøn laïi ñöôïc goïi laø khí thöïc.

1.4: TRAÏNG THAÙI VAØ CAÙC THOÂNG SOÁ TRAÏNG THAÙI .

Traïng thaùi laø taäp hôïp caùc ñaïi löôïng xaùc ñònh tính chaát vaät lyù cuûa chaát moâi giôùi

taïi thôøi ñieåm naøo ñoù. Caùc thoâng soá duøng ñeå xaùc ñònh traïng thaùi cuûa chaát moâi giôùi ñöôïc

goïi laø thoâng soá traïng thaùi, ôû moãi traïng thaùi xaùc ñònh thì thoâng soá traïng thaùi cuõng coù

nhöõng giaù trò xaùc ñònh.

Moät traïng thaùi ñöôïc goïi laø caân baèng cuûa chaát moâi giôùi khi caùc thoâng soá traïng

thaùi coù cuøng moät giaù trò ôû moïi ñieåm trong toaøn boä khoái chaát moâi giôùi. Ngöôïc laïi goïi laø

traïng thaùi chaát moâi giôùi khoâng caân baèng.

1.4.1: Thoâng soá traïng thaùi.

Ñeå bieåu dieãn traïng thaùi cuûa chaát moâi giôùi ngöôøi ta nhôø ñeán ba thoâng soá traïng

thaùi cô baûn: Nhieät ñoä, aùp suaát, theå tích rieâng. Ngoaøi 3 thoâng soá naøy coøn duøng ñeán caùc

thoâng soá khaùc nhö : Noäi naêng, Enthanpy, Entropy, Exergy, …

a/ Nhieät ñoä:

Nhieät ñoä laø thoâng soá bieåu thò möùc ñoä noùng laïnh cuûa vaät, coøn theo thuyeát ñoäng

hoïc phaân töû nhieät ñoä bieåu thò giaù trò ñoäng naêng trung bình cuûa caùc phaân töû chuyeån

ñoäng tònh tieán.

kTm

23

2 2 (1-1)

Trong ñoù: T : Nhieät ñoä tuyeät ñoái, K

m : Khoái löôïng phaân töû, kg

: Vaän toác trung bình caùc phaân töû, m/s

k : Haèng soá Boltzmann.

k = 1,3805 .10-23 (J/ñoä)

Ñeå xaùc ñònh nhieät ñoä ngöôøi ta thöôøng duøng 2 thang ño nhieät ñoä:




- - 7

Nhieät ñoä baùch phaân. ( Nhieät ñoä Celcius : t, 0C )

Nhieät ñoä tuyeät ñoái. ( Nhieät ñoä Kelvin : T, K )

Moái quan heä :

T(K) = t(0C) + 273,15

Ngoaøi ra coøn coù caùc thang nhieät ñoä khaùc nhö : Nhieät ñoä Fahrenheit t(0F),

Rankine T(0R).

Moái quan heä :

329

5 FtCt oo (1-2)

15,2739

5 RTCt oo (1-3)

b/ Aùp suaát:

Aùp suaát laø löïc taùc duïng caùc phaân töû theo phöông phaùp tuyeán leân moät ñôn vò

dieän tích thaønh bình chöùa.

S

Fp (N/m2) (1-4)

ÔÛ ñaây: p : aùp suaát tuyeät ñoái (N/m2)

F : löïc taùc duïng (N) (1 N = 1 kgm/s2)

S : dieän tích thaønh bình (m2)

Ñeå ño aùp suaát ngöôøi ta duøng nhieàu ñôn vò ño khaùc nhau, ta coù moái quan heä giöõa

caùc ñôn vò ño aùp suaát nhö sau :

1at = 9,81 . 104 (N/m2) 0,981bar 9,81 . 104 Pa

= 1 kG/cm2 = 14,7 psi

= 10 mH2O = 735,5 mmHg

Ngoaøi ra ta coù caùc khaùi nieäm khaùc veà aùp suaát nhö:

* Khi ño aùp suaát baèng chieàu cao coät thuûy ngaân phaûi qui veà ñieàu kieän 00C tröôùc

khi chuyeån ñoåi ñôn vò, theo coâng thöùc:

h00C = h (1- 0,000172.t)

Trong ñoù :

h00C : chieàu cao coät thuyû ngaân ôû 00C .

h : chieàu cao coät thuyû ngaân ôû t 0C.

P

Pd

Pkt

Pck

P

Trong ñoù:

p: aùp suaát tuyeät ñoái

pd : aùp suaát dö

pKT : aùp suaát khí trôøi

pCK : aùp suaát chaân khoâng




- - 8

c/ Theå tích rieâng:

Theå tích rieâng laø theå tích cuûa moät ñôn vò khoái löôïng.

Neáu moät löôïng khí coù khoái löôïng laø G kg, theå tích laø V m3 thì theå tích rieâng seõ laø:

v = G

V , (m3/kg) (1-5)

Khoái löôïng rieâng laø ñaïi löôïng nghòch ñaûo cuûa theå tích rieâng.

v

1 , (kg/m3) (1-6)

d/ Noäi naêng: ( kyù hieäu: u, J/kg)

Noäi naêng cuûa moät vaät bao goàm: nhieät naêng, hoaù naêng, naêng löôïng nguyeân töû.

Ñoái vôùi quaù trình nhieät ñoäng hoaù naêng vaø naêng löôïng nguyeân töû khoâng thay ñoåi neân

söï thay ñoåi noäi naêng cuûa vaät chæ laø söï thay ñoåi nhieät naêng.

Noäi naêng bao goàm: Noäi ñoäng naêng vaø noäi theá naêng.

Noäi ñoäng naêng sinh ra laø do chuyeån ñoäng tònh tieán, chuyeån ñoäng dao ñoäng,

chuyeån ñoäng quay cuûa caùc phaân töû.

Noäi theá naêng sinh ra laø do löïc töông taùc caùc phaân töû.

Theo thuyeát ñoäng hoïc phaân töû thì noäi ñoäng naêng phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä, noäi

theá naêng phuï thuoäc vaøo khoaûng caùch caùc phaân töû, laø haøm ñôn trò cuûa theå tích, do vaäy:

u = f (T, v)

Ñoái vôùi khí lyù töôûng thì:

u = f (T)

Maët khaùc noäi naêng laø moät thoâng soá traïng thaùi, chæ phuï thuoäc vaøo traïng thaùi ñaàu

vaø cuoái, khoâng phuï thuoäc vaøo quaù trình tieán haønh.

du = cv dT.

Khi cho quaù trình tieán haønh töø traïng thaùi 1ñeán traïng thaùi 2 ñoä bieán thieân noäi naêng seõ

laø:

u = cv ( T2 – T1) (1-7)

ÔÛ ñaây: cv laø nhieät dung rieâng khoái löôïng ñaúng tích(J/kg.ñoä)

e/ Naêng löôïng ñaåy: (d : J/kg)

Ñoái vôùi doøng khí hoaëc chaát loûng chuyeån ñoäng, ngoaøi ñoäng naêng vaø theá naêng

beân ngoaøi coøn moät naêng löôïng giuùp khoái khí dòch chuyeån, goïi laø naêng löôïng ñaåy.

Naêng löôïng ñaåy ñöôïc xaùc ñònh baèng bieåu thöùc :

d = pv (1-8)

Naêng löôïng ñaåy laø moät thoâng soá traïng thaùi vaø chæ coù ôû heä hôû, khi doøng khí

chuyeån ñoäng thì naêng löôïng ñaåy thay ñoåi vaø taïo ra coâng löu ñoäng ñeå ñaåy doøng khí

dòch chuyeån.

f/ Enthanpy: (i, h: J/kg)

Enthanpy laø moät thoâng soá traïng thaùi.




- - 9

Trong nhieät ñoäng enthanpy ñöôïc ñònh nghóa baèng bieåu thöùc:

i = u + pv (1-9)

Ñoái vôùi khí thöïc enthanpy phuï thuoäc vaøo 2 trong 3 thoâng soá traïng thaùi cô baûn,

coøn ñoái vôùi khí lyù töôûng thì:

(1-9) di = du + d(R.T)

di = cvdt + RdT

di = cpdT.

Ñoä bieán thieân enthanpy giöõa hai traïng thaùi 1 vaø 2 seõ laø:

i = cp (T2 – T1) (1-10)

g/ Entropy: (s: J/kg.ñoä)

Entropy laø moät ñaïi löôïng vaät lyù maø söï thay ñoåi cuûa noù chöùng toû coù söï trao ñoåi

nhieät.

Phöông trình vi phaân entropy coù daïng :

T

dqds ( 1-11)

dq : nhieät löôïng trao ñoåi giöõa chaát moâi giôùi vaø moâi tröôøng trong quaù trình voâ

cuøng beù.

h/ Exergy: (e: J/kg)

Exergi laø naêng löôïng toái ña coù theå bieán hoaøn toaøn thaønh coâng trong quaù trình

thuaän nghòch. Ñoái vôùi nhieät naêng:

q = e + a (1-12)

Trong ñoù : q : nhieät naêng

e : exergy

a : anergy – phaàn nhieät naêng khoâng theå bieán thaønh coâng.

1.4.2: Phöông trình traïng thaùi :

Phöông trình traïng thaùi cuûa chaát khí moät caùch toång quaùt ñöôïc bieåu dieãn theo

moái quan heä haøm soá nhö sau:

F ( p,v,T) = 0

Noù cho pheùp ta xaùc ñònh ñöôïc moät traïng thaùi baát kyø khi bieát 2 trong 3 thoâng soá

traïng thaùi.

a/ Phöông trình traïng thaùi cuûa khí lyù töôûng:

+ Phöông trình traïng thaùi khi vieát cho 1 kg khí coù daïng :

p.v = R.T (1-13)

Trong ñoù : p : aùp suaát tuyeät ñoái (N/m2)

v : Theå tích rieâng (m3/kg)

R : Haèng soá chaát khí (J/kg.ñoä)

T : Nhieät ñoä tuyeät ñoái (K)




- - 10

+ Phöông trình traïng thaùi ñoái vôùi G kg khí :

p.v.G = G.R.T

p.V = G.R.T (1-14)

+ Phöông trình khi vieát cho 1 kmol chaát khí:

Töø (1-13)

p.v. = .R.T

pV = .R.T

vôùi : V = v. : Theå tích 1 kmol khí. (m3/kmol)

Ñaët : R = .R : Haèng soá phoå bieán chaát khí (J/kmol.ñoä)

pV = RT (1-15)

R = T

pV (1-16)

Theo Avogadro – Ampere: ôû ñieàu kieän tieâu chuaån : p = 760 mmHg, t = 00C =

273,15 K, theå tích 1 kmol khí lyù töôûng V = 22,4 m3 vaäy :

R = 15,273

4,22.101332

15,273

4,22.10.750

760 5

R = 8314 (J/kmol.ñoä)

R =

8314

R.

b/ Phöông trình traïng thaùi khí thöïc:

Trong thöïc teá caùc khí söû duïng ñeàu laø khí thöïc vaø vieäc tính toaùn noù raát phöùc taïp.

Ñeå thieát laäp phöông trình cho khí thöïc ngöôøi ta döïa vaøo phöông trình cuûa khí lyù töôûng

roài theâm vaøo moät soá heä soá ñieàu chænh ñöôïc ruùt ra töø thöïc nghieäm.

Theo Vander Waals phöông trình coù daïng:

TRbvv

ap ..

2

(1-17)

Trong ñoù: a/v2: Heä soá ñieàu chænh veà aùp suaát noäi boä, khi keå ñeán löïc taùc duïng

töông hoã giöõa caùc phaân töû.

b : Heä soá ñieàu chænh veà theå tích baûn thaân phaân töû.

a,b: Coøn goïi laø caùc haèng soá caù bieät bieán thieân theo caùc loaïi chaát khí.




- - 11

CHÖÔNG 2

CHAÁT MOÂI GIÔÙI

2.1: ÑÒNH NGHÓA .

Nhö ñaõ trình baøy ôû chöông 1 chaát moâi giôùi laø chaát trung gian duøng ñeå thöïc hieän

caùc chuyeån bieán veà naêng löôïng, chaát moâi giôùi ta thöôøng gaëp ôû daïng khí hoaëc hôi.

Chaát moâi giôùi ñöôïc xem laø ôû daïng khí khi traïng thaùi cuûa noù ôû xa traïng thaùi baõo

hoaø, thöôøng nhieät ñoä tôùi haïn töông ñoái thaáp. Ngöôïc laïi moät chaát xem laø ôû theå hôi khi

nhieät ñoä tôùi haïn cuûa noù töông ñoái cao so vôùi thoâng soá thöôøng gaëp.

Trong nhieät ñoäng kyõ thuaät ta coù theå xem: O2 , N2, H2, hôi nöôùc trong khoâng

khí… laø khí lyù töôûng. Coøn hôi nöôùc trong thieát bò ñoäng löïc hôi nöôùc, Freon ( R12, R22,

R134a,…), amoâniaéc (NH3) trong maùy laïnh … khoâng ñöôïc xem laø khí lyù töôûng.

Ví duï:

- Ñoäng cô hôi nöôùc: chaát moâi giôùi laø hôi nöôùc.

- Ñoäng cô ñoát trong, turbine khí: chaát moâi giôùi laø saûn phaåm chaùy.

- Maùy laïnh: chaát moâi giôùi laø caùc loaïi Freon hay amoâniaéc.

2.2: HOÃN HÔÏP KHÍ LYÙ TÖÔÛNG.

Trong nhieät ñoäng kyõ thuaät coù moät soá tröôøng hôïp chaát moâi giôùi bao goàm nhieàu

thaønh phaàn khí khaùc nhau ( khoâng khí goàm: O2 , N2 vaø moät soá khí khaùc…)

Vaäy ñeå xaùc ñònh caùc thoâng soá cuûa hoãn hôïp ta caàn phaûi bieát caùc thoâng soá cuûa

caùc thaønh phaàn.

Laø hoãn hôïp khí thì baát kyø thaønh phaàn naøo trong ñoù ñeàu coù cuøng nhieät ñoä vaø

chieám toaøn boä theå tích cuûa hoãn hôïp.

2.2.1: Ñònh luaät Gip – Dalton.

“Aùp suaát cuûa hoãn hôïp khí lyù töôûng baèng toång caùc aùp suaát rieâng phaàn cuûa caùc

chaát khí thaønh phaàn.”

p =

n

iip

1

(2-1)

p : aùp suaát hoãn hôïp.

pi : phaân aùp suaát chaát khí thöù i. (aùp suaát rieâng phaàn)

Aùp suaát rieâng phaàn cuûa chaát khí thaønh phaàn laø aùp suaát cuûa chaát khí ñoù khi noù

chieám toaøn boä theå tích cuûa hoãn hôïp vaø ôû ñieàu kieän nhieät ñoä cuûa hoãn hôïp.

Neáu goïi : V, T laø theå tích vaø nhieät ñoä cuûa hoãn hôïp.

pi, Gi, Ri laø aùp suaát rieâng phaàn, khoái löôïng, haèng soá chaát khí cuûa

thaønh phaàn thöù i trong hoãn hôïp.

piV = GiRiT .

V

TRGP iii (2-2)




- - 12

Töông töï:

(2-3)

2.2.2: Bieåu thò thaønh phaàn hoãn hôïp .

Thaønh phaàn hoãn hôïp coù theå bieåu thò theo khoái löôïng, theå tích hoaëc soá mol.

a/ Thaønh phaàn khoái löôïng: (gi)

Thaønh phaàn khoái löôïng moät chaát trong hoãn hôïp laø tæ soá giöõa khoái löôïng chaát ñoù

vôùi khoái löôïng hoãn hôïp.

G

Gg ii (2-4)

Trong ñoù: gi : Thaønh phaàn khoái löôïng cuûa chaát thöù i trong hoãn hôïp.

Gi: khoái löôïng chaát thöù i.

G: khoái löôïng hoãn hôïp.

G =

n

iiG

1

11

1

G

G

g

n

iin

ii (2-5)

b/ Thaønh phaàn theå tích: (ri)

Thaønh phaàn theå tích cuûa moät chaát trong hoãn hôïp laø tæ soá giöõa theå tích rieâng

phaàn cuûa chaát ñoù vôùi theå tích hoãn hôïp.

V

Vr ii (2-6)

Trong ñoù: ri : Thaønh phaàn theå tích cuûa chaát thöù i trong hoãn hôïp.

Vi : Theå tích rieâng phaàn cuûa chaát thöù i.

V : Theå tích hoãn hôïp.

Theå tích rieâng phaàn Vi cuûa chaát thöù i trong hoãn hôïp, ôû ñieàu kieän aùp suaát vaø

nhieät ñoä cuûa hoãn hôïp:

pVi = GiRiT (a)

p

TRGV iii (2-7)

n

iiUU

1

n

iiII

1

n

iiSS

1




- - 13

Töø (2-2) : piV = GiRiT (b)

(a) vaø (b) pVi = piV

Hay: p

p

V

Vr iii (c)

p

VpV ii

n

ii

n

ii p

p

VV

11

.

Theo Gip-Dalton :p =

n

iip

1

n

iiVV

1

Töông töï: (c) 111

n

i

in

ii

p

pr (2-8)

c/ Thaønh phaàn mol:(ri)

Thaønh phaàn mol cuûa moät chaát trong hoãn hôïp laø tæ soá giöõa soá kmol cuûa chaát ñoù

vôùi soá kmol cuûa hoãn hôïp.

M

Mr ii (2-9)

Trong ñoù: Mi : soá kmol chaát thöù i.

M : soá kmol hoãn hôïp.

111

n

i

in

ii

M

Mr (2-10)

2.2.3: Xaùc ñònh caùc ñaïi löôïng vaät lyù cuûa hoãn hôïp.

a/ Phaân töû löôïng cuûa hoãn hôïp:

Ta coù: pV M = M.R.T

Maø: V = V.M

pV = M.R.T (a)

vaø: pV = G.R.T

pV = G

RT (b)

Töø (a) vaø (b) = M

G

M =

G




- - 14

=

n

i i

in

ii

G

G

M

G

11

Hay =

i

n

i

i

G

G

1

1

1

(c)

Maø töø (2-4): G

Gg ii

=

n

i i

ig

1

1

(2-11)

b/ Haèng soá chaát khí R cuûa hoãn hôïp:

Ta coù: R

8314

Hay R =

n

i i

ig

1

.8314

(2-12)

Hoaëc R coù theå xaùc ñònh:

Töø (2-2) : V

TRGP iii

V

GRTp

V

TRGp

n

i

iin

ii

11

GRRGn

iii

1

G

RG

R

n

iii

1

Maø (2-5): G

G

g

n

iin

ii

1

1

n

iii RgR

1

(2-13)

c/ Theå tích rieâng hoãn hôïp:

G

V

G

Vv

n

ii

1

Maø :

n

iiV

1

n

i i

iG

1

n

i i

iG

Gv

1

1




- - 15

vôùi G

G

g

n

iin

ii

1

1

n

i i

igv1

(2-14)

Khoái löôïng rieâng cuûa hoån hôïp:

n

i i

i

gv 1

1

2.2.4: Phaân aùp suaát thaønh phaàn

Phaân aùp suaát thaønh phaàn ñöôïc xaùc ñònh theo aùp suaát hoãn hôïp (ño ñöôïc).

Ta coù: piV = GiRiT (a)

pV = GRT (b)

Töø (a) vaø (b) GR

RG

p

p iii (vôùi G

Gg ii )

R

Rgpp iii .

maø R = .R = iRi = 8314 J/kmol.ñoä

i

i

R

R

iii gpp . (2-15)

2.3: KHÍ THÖÏC.

2.3.1: Khaùi nieäm.

Trong thöïc teá ta gaëp khaù nhieàu tröôøng hôïp chaát moâi giôùi khoâng ñöôïc xem laø khí

lyù töôûng maø laø khí thöïc, ví duï nhö CO2, NH3 vaø caùc loaïi Freon duøng trong maùy laïnh,

hôi nöôùc duøng trong turbine hôi, ñoäng cô hôi nöôùc… Luùc naøy ta khoâng theå boû qua löïc

töông taùc giöõa caùc phaân töû vaø theå tích baûn thaân caùc phaân töû ñöôïc. Do vaäy khoâng cho

pheùp duøng caùc coâng thöùc cuûa khí lyù töôûng ñeå tính toaùn. Ñeå giaûi quyeát vaán ñeà naøy ta

tìm hieåu veà tính chaát cuûa hôi nöôùc.

a/ Quaù trình hoaù hôi:

Laø quaù trình chuyeån töø pha loûng sang pha hôi. Ngöôïc laïi goïi laø quaù trình ngöng

tuï. ( xaûy ra trong toaøn boä theå tích khoái chaát loûng).

b/ Quaù trình noùng chaûy:

Laø quaù trình chuyeån töø raén sang loûng. Ngöôïc laïi goïi laø ñoâng ñaëc.

c/ Quaù trình thaêng hoa:

Laø quaù trình chuyeån töø raén sang hôi khoâng qua traïng thaùi loûng. Ngöôïc laïi goïi laø

ngöng keát.




- - 16

2.3.2: Quaù trình hoaù hôi ñaúng aùp . (Ví duï: Hôi nöôùc)

Quaù trình hoaù hôi thöôøng xaûy ra ôû aùp suaát khoâng ñoåi.

Quaù trình ñöôïc tieán haønh nhö sau:

Cho vaøo xi lanh 1 kg nöôùc ôû 00C treân ñoù coù ñaët 1 piston vaø coù theå dòch chuyeån

deã daøng vôùi aùp suaát p = const. Vì piston ñeø leân maët thoaùng cuûa nöôùc neân khoâng xaûy ra

söï bay hôi maø chæ xaûy ra söï soâi khi caáp nhieät.

Khi caáp nhieät vaøo xi lanh quaù trình bieán nöôùc thaønh hôi nhö sau:

+ Ñoaïn OA : Quaù trình ñoát noùng nöôùc töø 00C ñeán nhieät ñoä soâi, giai ñoaïn naøy

khi nhieät ñoä taêng thì theå tích cuõng taêng. Caùc thoâng soá cuûa nöôùc ôû traïng thaùi ban ñaàu

( ñieåm O) coù kyù hieäu: v0 , u0 , i0, t0. Taïi A nhieät ñoä cuûa nöôùc ñaït ñeán nhieät ñoä soâi. Caùc

thoâng soá nöôùc soâi coù kyù hieäu: v’, u’, i’, t’= ts .

+ Ñoaïn AC : Bieåu dieãn quaù trình soâi, trong giai ñoaïn naøy maëc duø tieáp tuïc caáp

nhieät, nhöng nhieät ñoä cuûa nöôùc vaãn khoâng ñoåi. Nhieät löôïng cung caáp cho nöôùc trong

ñoaïn AC khoâng laøm nhieät ñoä cuûa nöôùc taêng leân goïi laø nhieät hoaù hôi, kyù hieäu: r

Taïi C gioït nöôùc cuoái cuøng bieán thaønh hôi, söï soâi keát thuùc, hôi nöôùc ôû traïng thaùi

naøy goïi laø hôi baõo hoaø khoâ, kyù hieäu caùc thoâng soá : v’’, u’’, i’’, t’’= ts

Hôi nöôùc taïi ñieåm B naøo ñoù trong ñoaïn AC (hoãn hôïp giöõa nöôùc soâi vaø hôi nöôùc

baõo hoaø khoâ) goïi laø hôi nöôùc baõo hoaø aåm. Thoâng soá traïng thaùi cuûa B kí hieäu laø: vx, ux,

ix, tx = ts

Ñeå xaùc ñònh traïng thaùi hôi nöôùc baõo hoaø aåm ngöôøi ta ñöa ra thoâng soá môùi x, goïi

laø ñoä khoâ. Ñoä khoâ cho bieát löôïng hôi baõo hoaø khoâ chöùa trong 1 kg hôi baûo hoaø aåm.

G kg hôi baõo hoøa khoâ

G kg hôi baõo hoøa aåm

= kn

k

x

k

GG

G

G

G

Ngoaøi ra ta coøn duøng 1 thoâng soá khaùc y: goïi laø ñoä aåm.

G kg nöôùc soâiâ

G kg hôi baõo hoøa aåm

x =

y = 1 - x =

q (kJ/kg)

ppppp

DC BA

O

t( C)o




- - 17

Ñoä aåm cho bieát löôïng nöôùc chöùa trong 1 kg hôi baõo hoaø aåm.

Ñoaïn CD: Bieåu dieãn quaù trình bieán hôi baõo hoøa khoâ thaønh hôi quaù nhieät. Sau

khi toaøn boä nöôùc ñaõ bieán thaønh hôi taïi C, neáu tieáp tuïc caáp nhieät luùc naøy nhieät ñoä cuûa

hôi seõ taêng leân cho ñeán traïng thaùi D naøo ñoù. D goïi laø traïng thaùi hôi quaù nhieät, thoâng

soá hôi quaù nhieät laø : v, u, i, t > ts . Quaù trình tieán haønh nhieàu laàn ôû caùc aùp suaát khaùc

nhau, sau khi xöû lí soá lieäu ñöôïc toùm taéc vaø bieåu dieãn treân ñoà thò p-v nhö sau:

Treân ñoà thò caùc ñieåm O1, O2, O3 bieåu dieãn traïng thaùi nöôùc ôû 00C vôùi caùc aùp suaát

khaùc nhau, chuùng naèm treân ñöôøng thaúng gaàn nhö song song vôùi truïc p ( vì theå tích cuûa

nöôùc ôû 00C haàu nhö khoâng thay ñoåi theo aùp suaát).

Nhöõng ñieåm A1, A2, A3 bieåu dieãn traïng thaùi nöôùc soâi ôû caùc aùp suaát khaùc nhau,

aùp suaát caøng cao caùc ñieåm nay caøng nghieâng veà beân phaûi, vì nhieät ñoä soâi cao neân theå

tích taêng theo aùp suaát.

Caùc ñieåm C1, C2, C3 bieåu dieãn traïng thaùi hôi baõo hoaø khoâ ôû caùc aùp suaát khaùc

nhau, aùp suaát caøng lôùn thì ñöôøng naøy caøng coù khuynh höôùng nghieâng veà beân traùi ( p

vaø v cuûa hôi baõo hoaø khoâ coù quan heä tæ leä nghòch).

Noái caùc ñieåm O1, O2, O3,… ta ñöôïc ñöôøng nöôùc ôû 00C. Noái caùc ñieåm A1, A2,

A3,… ta ñöôïc ñöôøng nöôùc soâi hay goïi laø ñöôøng giôùi haïn döôùi coù x = 0. Noái caùc ñieåm

C1, C2, C3,… ta coù ñöôøng hôi baõo hoaø khoâ goïi laø ñöôøng giôùi haïn treân coù x = 1.

Khi aùp suaát caøng taêng thì hai ñöôøng giôùi haïn döôùi vaø treân tieán laïi gaàn nhau, ñeán

moät aùp suaát naøo ñoù goïi laø aùp suaát tôùi haïn thì hai ñöôøng naøy seõ gaëp nhau taïi k, k goïi laø

ñieåm tôùi haïn.

Thoâng soá taïi k :

pk = 221bar 225 at

vk = 0,003 m3/kg

tk = 3740C

Ngoaøi ra ñoà thò chia laøm 3 vuøng :

Vuøng I : vuøng nöôùc chöa soâi.

Vuøng II : vuøng hôi baõo hoaø aåm.

Vuøng III : vuøng hôi quaù nhieät.

p

K pk

P3

P2

P1

O2

O1

O3

A2 II

C3

C2

C1

x = 1 v

A1

x = 0

A3

I III




- - 18

* Nhieät löôïng caàn thieát ñeå bieán nöôùc ôû 00C ñeán traïng thaùi hôi quaù nhieät laø :

q = qn + r + qk (2-16)

Trong ñoù : qn = i’ – i0 = cpn ( ts – t0)

qn :Nhieät löôïng caàn thieát laøm cho nöôùc ôû 00C ñaït ñeán nhieät ñoä soâi.

r = i” – i’

r : Nhieät hoaù hôi.

qk = cph ( t – ts)

qk:Nhieät löôïng caàn thieát ñeå bieán hôi baõo hoaø khoâ thaønh hôi quaù

nhieät.

cph :Nhieät dung rieâng ñaúng aùp cuûa hôi quaù nhieät.

2.3.3: Phöông phaùp xaùc ñònh thoâng soá traïng thaùi cuûa hôi nöôùc

Hôi nöôùc laø khí thöïc coù tính chaát khaùc xa khí lyù töôûng, ñeå xaùc ñònh caùc thoâng soá

traïng thaùi cuûa noù ta nhôø ñeán baûng hoaëc ñoà thò.

a/ Baûng hôi nöôùc:

Tuyø theo hôi nöôùc ôû traïng thaùi naøo maø ta coù hai loaïi baûng ñeå tra caùc thoâng soá

traïng thaùi cuûa hôi nöôùc.

/ Baûng nöôùc soâi vaø hôi baõo hoaø khoâ:

Duøng xaùc ñònh caùc thoâng soá nöôùc soâi vaø hôi baõo hoaø khoâ, phuï thuoäc vaøo thoâng

soá bieát tröôùc, ta coù 2 loaïi:

* Loaïi cho theo nhieät ñoä: (t 0C)

t p v’ v’’ ’’ i’ i’’ r s’ s’’ oC bar m3/kg m3/kg kg/m3 kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg.ñoä kJ/kg.ñoä

30 0,0424 … … … … … … … …

100 1,0132 0,00104 1,673 0,5977 419,1 2676 2257 1,3071 7,3547

… … … … … … … … … …

150 4,760 0,00109 0,3926 2,547 632,2 2746 2114 1,8418 6,8383

* Loaïi cho theo aùp suaát: (p bar)

p t v’ v’’ ’’ i’ i’’ r s’ s’’

bar oC m3/kg m3/kg kg/m3 kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg.ñoä kJ/kg.ñoä

… … … … … … … … … …

0,1 45,84 0,00101 14,68 0,06812 191,9 2393 2257 0,6492 8,149

… … … … … … … … … …

100 310,96 0,00145 0,0180 55,46 1407,7 2725 1317 3,360 5,615




- - 19

/ Baûng nöôùc chöa soâi vaø hôi quaù nhieät:

Duøng tra caùc thoâng soá nöôùc chöa soâi vaø hôi quaù nhieät. Khi tra caùc thoâng soá

trong baûng naøy caàn bieát tröôùc 2 thoâng soá p vaø t.

t

p

TS

20 40 60 80 100 120 140 160 180

v

0,04 i

s

v

0,08 i

s

v 0,0010

0,1 i 83,7

s 0,2961

v 16,64

0,12 i 28,02

s 8,642

Rieâng ñoái vôùi hôi baõo hoaø aåm khoâng coù trong baûng, ñeå xaùc ñònh caùc thoâng soá

cuûa noù ta xaùc ñònh theo ñoä khoâ x, caùc thoâng soá cuûa hôi baõo hoaø khoâ vaø nöôùc soâi, theo

caùc coâng thöùc sau:

vx = v’+ x (v’’ – v’)

ix = i’ + x (i’’– i’) (2-17)

sx = s’ + x (s’’– s’)

ux = u’ + x (u’’– u’)

Suy ra: x= 'i''i

'iix

Hoaëc: x= 's''s

'ssx

Ngoaøi ra noäi naêng khoâng coù trong caùc baûng vaø ñoà thò, vaø ñöôïc xaùc ñònh töø

enthanpi:

i = u + pv

u = i – pv (2-18)




- - 20

b/ Ñoà thò hôi nöôùc:

Ñeå xaùc ñònh caùc thoâng soá cuûa hôi nöôùc, ngoøai vieäc duøng baûng ta coøn söû duïng

ñoà thò, noù coù öu ñieåm laø xaùc ñònh ñôn giaûn vaø nhanh choùng, nhöôïc ñieåm laø ñoä chính

xaùc khoâng cao.

/ Ñoà thò T-s:

Treân ñoà thò T-s caùc ñöôøng ñaúng aùp trong vuøng hôi baõo hoøa aåm song song truïc s,

qua vuøng hôi quaù nhieät ñi leân coù beà loài quay veà döôùi. Caùc ñöôøng ñaúng tích luoân luoân

ñi leân ôû caû hai vuøng hôi baõo hoøa aåm vaø hôi quaù nhieät ñoàng thôøi cuõng doác hôn ñöôøng

ñaúng aùp.

Trong vuøng baûo hoøa aåm ñoä khoâ x taêng daàn töø x = 0 ñeán x = 1.

/ Ñoà thò i-s:

ÔÛ ñoà thò i-s trong vuøng hôi baõo hoøa aåm caùc ñöôøng ñaúng nhieät vaø ñaúng aùp truøng

nhau vaø doác leân, ra ñeán vuøng hôi quaù nhieät, ñöôøng ñaúng nhieät gaàn nhö naèm ngang coøn

ñöôøng ñaúng aùp taêng maïnh. Caùc ñöôøng ñaúng tích vaãn coù daïng ñöôøng cong vaø doác hôn

ñaúng aùp.

s

T

273oC

k v2 = const

p2 = const

v1 = const

p1 = const

x = 1 x1 x = 0

v1 =const

p1 =const

p2 =const

v2 =const

s

T2 =const

T1 =const

k

x1

i

x = 1 x2 x = 0




- - 21

/ Ñoà thò logp-i cuûa moâi chaát laïnh:

Caùc moâi chaát söû duïng trong maùy laïnh thöôøng laø : NH3, caùc loïai freon ( R12,

R22, R134a,…) ñeå xaùc ñònh caùc thoâng soá ta thöôøng duøng ñoà thò logp-i cho caùc moâi chaát

laïnh.

Treân ñoà thò logp-i caùc ñöôøng ñaúng aùp laø nhöõng ñöôøng thaúng song song truïc

hoaønh. Caùc ñöôøng ñaúng nhieät trong vuøng hôi baõo hoøa aåm truøng vôùi caùc ñöôøng ñaúng aùp

töông öùng, ôû vuøng hôi quaù nhieät laø nhöõng ñöôøng cong gaàn nhö thaúng ñöùng. Caùc ñöôøng

ñaúng entropy vaø ñaúng tích laø nhöõng ñöôøng cong coù beà loài quay veà phía treân nhöng

ñöôøng ñaúng entropy doác hôn so vôùi ñöôøng ñaúng tích.

2.4: KHOÂNG KHÍ AÅM.

2.4.1: Ñònh nghóa.

Khoâng khí aåm laø hoãn hôïp cuûa khoâng khí khoâ vaø hôi nöôùc. Laø khoâng khí ñöôïc sö û

duïng trong kyõ thuaät, trong sinh hoïat ñôøi soáng con ngöôøi. Khoâng khí khoâ ôû ñaây goàm:

21% O2, 78% N2, coøn laïi laø CO2 vaø caùc khí trô.

Hôi nöôùc trong khoâng khí aåm coù phaân aùp suaát nhoû vaø ôû traïng thaùi hôi quaù nhieät,

neân hôi nöôùc ôû ñaây coù theå coi laø khí lyù töôûng, do vaäy khoâng khí aåm ñöôïc xem laø hoãn

hôïp khí lyù töôûng.

Aùp suaát: p = pk + ph

Nhieät ñoä: t = tk =th

Khoái löôïng G = Gk + Gh

2.4.2: Phaân loïai.

Tuøy theo löôïng nöôùc chöùa trong khoâng khí aåm ta coù theå phaân ra nhö sau:

a/ khoâng khí aåm chöa baõo hoøa: Laø khoâng khí aåm maø löôïng hôi nöôùc trong noù

ôû traïng thaùi hôi quaù nhieät, trong tröôøng hôïp naøy neáu ta cho theâm hôi nöôùc vaøo thì hôi

nöôùc vaãn chöa bò ngöng tuï.

k

x = 0

logp

(Mpa)

v2 =c p2 = c

v1 = c

s2 = c

p1 = c

s1 = c

t1 t2

x = 1 i (kJ/kg)




- - 22

Coù hai caùch bieán hôi nöôùc chöa baõo hoøa thaønh hôi nöôùc baõo hoøa:

Caùch1: AB ,giaûm nhieät ñoä th ñeán nhieät ñoä ñoïng söông ts;vôùi p = const.

Caùch2: AC, taêng aùp ph ñeán phmax; vôùi th = const.

b/ Khoâng khí aåm baõo hoøa:

Laø khoâng khí aåm trong ñoù hôi nöôùc ôû traïng thaùi hôi baõo hoøa khoâ ( Gh max) luùc

naøy neáu cho theâm hôi nöôùc vaøo thì noù seõ ñoïng thaønh nhöõng gioït raát nhoû, neáu tieáp tuïc

cho theâm hôi nöôùc vaøo ta seõ coù khoâng khí aåm quaù baõo hoøa. ( taïo thaønh nhöõng gioït

nöôùc ngöng tuï – söông muø).

2.4.3: Caùc thoâng soá ñaëc tröng cuûa khoâng khí aåm.

a/ Ñoä aåm tuyeät ñoái: (h)

Neáu moät khoái khoâng khí aåm coù theå tích laø V (m3), chöùa löôïng hôi nöôùc laø Gh

(kg), thì tæ soá:

hh

V

G ; (2-19)

h goïi laøñoä aåm tuyeät ñoái (kg/m3).

Trong thöïc teá ñeå bieát khaû naêng chöùa hôi nöôùc nhieàu hay ít cuûa khoâng khí aåm ta

caàn duøng ñeán ñoä aåm töông ñoái.

b/ Ñoä aåm töông ñoái:()

Laø tæ soá giöõa ñoä aåm tuyeät ñoái chöa baõo hoøa vaø ñoä aåm tuyeät ñoái cuûa khoâng khí

aåm baõo hoøa ôû cuøng nhòeât ñoä.

maxh

h

(%) (2-20)

h: ñoä aåm tuyeät ñoái chöa baõo hoøa.

h max: ñoä aåm tuyeät ñoái baõo hoøa.

s

T

A

B ts

th

phmax

C

ph




- - 23

Töø phöông trình traïng thaùi vieát cho hôi nöôùc trong khoâng khí aåm chöa baõo hoøa

vaø baõo hoøa laø:

phV = GhRhT h

h

hh

TR

p

V

G (a)

Vaø phmaxV = GhmaxRhT maxmaxmax

h

h

hh

TR

p

V

G (b)

Töø (2-20),(a) vaø (b) maxh

h

p

p (%) (2-21)

0 < ph < phmax 0 < < 100 %

= (40 70) % : phuø hôïp vôùi ñôøi soáng con ngöôøi.

= 90 % (0 5 oC) : thích hôïp trong baûo quaûn rau quaû thöïc phaåm.

c/ Ñoä chöùa hôi: (d)

Laø tæ soá giöõa khoái löôïng hôi nöôùc vaø khoái löôïng khoâng khí khoâ trong khoâng khí

aåm.

d = k

h

G

G (kg hôi/kg kkk) (2-22)

Töø phöông trình traïng thaùi:

phV = GhRhT TR

VpG

h

hh (c)

pkV = GkRkT TR

VpG

k

kk (d)

Töø (2-22), (c) vaø (d)

d = hk

kh

Rp

Rp

Vôùi: Rk = 29

8314, Rh =

18

8314

d = k

h

p

p622,0 .

maø : p = pk + ph

d = h

h

pp

p

622,0 ( 2-22a )

maø: maxh

h

p

p

d = max

max

.

.622,0

h

h

pp

p

, ( kg hôi/kg kkk) (2-23)




- - 24

d/ Enthanpy cuûa khoâng khí aåm:

Enthanpy khoâng khí aåm baèng toång enthanpy khoâng khí khoâ vaø hôi nöôùc chöùa

trong ñoù. Enthanpy cuûa khoâng khí aåm coù chöùa 1 kg khoâng khí khoâ, cuõng coù nghóa laø

(1 + d) kg khoâng khí aåm.

d = k

h

G

G d = Gh

( do: Gk = 1)

G = Gk + Gh = 1 + d

I = ik + d.ih (2-24)

ik : Enthanpy 1 kg khoâng khí khoâ, ñöôïc xaùc ñònh:

ik = 1,0048.t t (kJ/kg)

ih : Enthanpy khoâng khí aåm, ñöôïc xaùc ñònh:

ih = 2500 + 2.t (kJ/kg)

I = t + (2500+2.t) d (2-25)

2.4.4: Ñoà thò i-d cuûa khoâng khí aåm.

Ñeå xaùc ñònh caùc ñaïi löôïng ñaëc tröng cuûa khoâng khí aåm ta döïa vaøo ñoà thò i-d.

0120

1000

80 0

60 0

40 0

20 0

00

0 10 20 30 40 50 d (g/Kg kkk)

i (KJ/Kg)

Ph

f :100 %

60%

40 %

20 %

5

1350




- - 25

ÔÛ ñaây ph :phaân aùp suaát hôi nöôùc.

Treân ñoà thò truïc i vaø d hôïp vôùi nhau moät goùc 1350C .

- Ñöôøng i = const: laø ñöôøng thaúng hôïp vôùi truïc d moät goùc 1350C .

- Ñöôøng d = const: laø nhöõng ñöôøng thaúng ñöùng.

- Ñöôøng t = const: laø nhöõng ñöôøng thaúng hôi doác, caøng leân cao coù khuynh

höôùng phaân kyø.

- Ñöôøng = 100% chia khoâng khí aåm thaønh 2 vuøng: vuøng treân laø khoâng khí aåm

chöa baõo hoøa, vuøng döôùi laø khoâng khí aåm quaù baõo hoøa. Ñoái vôùi vuøng khoâng khí aåm

chöa baõo hoøa, coù daïng ñöôøng cong quay phía loài leân treân, nhöng ñeán vuøng coù t > ts

thì noù laø ñöôøng thaúng vuoâng goùc truïc d. Ñeå xaùc ñònh caùc thoâng soá khoâng khí aåm ta caàn

bieát hai trong soá caùc thoâng soá: i, d, t, , …

Giaû söû treân ñoà thò i-d taïi traïng thaùi A, khi bieát tA vaø A, töø ñoù ta suy ra iA, dA.

Muoán tìm phaân aùp suaát hôi nöôùc ph, töø A ta keõ ñöôøng d = const caét ñöôøng ph taïi B, thì

phB laø giaù trò caàn tìm.

2.4.5 Caùc quaù trình nhieät ñoäng khoâng khí aåm

a) Quaù trình ñoát noùng:

100 %

D

phB phAmax

dA dAmax

A

A iA =c

tA=c

B E

ph

d

i

i=const

=100%

tñs

t

D

C'

E C

A

B

i

d




- - 26

Khi gia nhieät cho khoâng khí aåm, nhieät ñâoä taêng leân, löôïng nöôùc trong khoâng khí

aåm khoâng ñoåi (d=const), quaù trình naøy bieåu dieãn baèng ñöôøng thaúng vuoâng goùc vôùi truïc

d, ñoä aåm giaûm (quaù trình AB treân ñoà thò).

b) Quaù trình laøm laïnh:

Khi laøm laïnh khoâng khí aåm, nhieät ñoä seõ giaûm xuoáng vaø ñoä aåm seõ taêng leân, quaù

trình naøy xaûy ra trong hai tröôøng hôïp:

- Neáu nhieät ñoä laøm laïnh lôùn hôn nhieät ñoä ñieåm söông (t > tñs), do ñoä chöùa hôi

d = const neân khi nhieät ñoä giaûm thì seõ taêng leân (quaù trình AC treân ñoà thò), quaù trình

naøy ngöôïc vôùi quaù trình AB vaø cuõng vuoâng goùc vôùi truïc d.

- Neáu nhieät ñoä nhoû hôn nhieät ñoä ñieåm söông (t < tñs) thì quaù trình laàn löôït traûi

qua hai giai ñoaïn, giai ñoaïn ñaàu nhieät ñoä giaûm xuoáng vaø ñoä aåm taêng leân ñeán

= 100% (quaù trình AC’), giai ñoaïn naøy coù d=const. Taïi C’ khoâng khí aåm ñaït ñeán

traïng thaùi khoâng khí aåm baõo hoøa, neáu tieáp tuïc laøm laïnh thì giai ñoaïn tieáp theo moät

phaàn hôi nöôùc trong khoâng khí aåm seõ ngöng tuï thaønh nöôùc neân löôïng hôi nöôùc trong

khoâng khí aåm seõ giaûm xuoáng (d giaûm), quaù trình naøy ñöôïc theå hieän baèng ñöôøng C’D

treân ñoà thò.




- - 27

CHÖÔNG 3

NHIEÄT VAØ COÂNG

3.1: QUAÙ TRÌNH NHIEÄT ÑOÄNG.

Traïng thaùi caân baèng nhieät ñoäng laø traïng thaùi khi caùc thoâng soá trang thaùi cuûa he ä

coù giaù trò khoâng ñoåi theo thôøi gian. (khoâng coù taùc ñoäng coâng hoaëc nhieät töø moâi

tröôøng). Ngöôïc laïi goïi laø traïng thaùi khoâng caân baèng.

Moät traïng thaùi caân baèng baát kyø coù theå bieåu thò treân ñoà thò p-v, T-s, i-s, ...

Nhö vaäy quaù trình nhieät ñoäng laø quaù trình bieán ñoåi töø traïng thaùi naøy ñeán traïng

thaùi khaùc cuûa heä. Ñieàu kieän ñeå coù söï thay ñoåi traïng thaùi nhieät ñoäng cuûa heä khi coù sö ï

trao ñoåi nhieät hoaëc coâng vôùi moâi tröôøng vaø ít nhaát phaûi coù moät thoâng soá traïng thaùi

khoâng ñoåi.

Quaù trình caân baèng laø quaù trình chaát moâi giôùi qua caùc traïng thaùi caân baèng. Thöïc

teá khoâng toàn taïi quaù trình caân baèng,vì muoán chuyeån töø traïng thaùi caân baèng naøy sang

traïng thaùi caân baèng khaùc caàn phaûi phaù vôû caân baèng ban ñaàu. Nhöng neáu quaù trình xaûy

ra voâ cuøng chaäm (söï thay ñoåi thoâng soá traïng thaùi nhoû) vaãn ñöôïc goïi laø quaù trình caân

baèng.

3.2: NHIEÄT LÖÔÏNG VAØ CAÙCH TÍNH NHIEÄT LÖÔÏNG THEO NHIEÄT DUNG

RIEÂNG.

3.2.1: Ñònh nghóa.

Nhieät dung rieâng laø löôïng nhieät löôïng caàn thieát ñeå ñöa moät ñôn vò chaát moâi giôùi

leân 1 ñoä theo moät quaù trình naøo ñoù. Kyù hieäu c .

- Neáu ta coù 1 ñôn vò chaát moâi giôùi laø 1 kg, caàn moät nhieät löôïng laø dq laøm cho noù

thay ñoåi nhieät ñoä laø dt thì:

c = dt

dq : Nhieät dung rieâng thöïc (3-1)

- Coøn neáu ta cung caáp cho 1 kg chaát moâi giôùi moät nhieät löôïng laø q laøm cho noù

thay ñoåi nhieät ñoä töø t1 ñeán t2 thì:

12 tt

q

goïi laø nhieät dung rieâng trung bình trong khoaûng nhieät ñoä töø t1

ñeán t2.

Kyù hieäu nhieät dung rieâng trung bình töø t1 ñeán t2 laø: 2

1

t

t

c

2

1

t

t

c =12 tt

q

(3-2)

3.2.2: Phaân loaïi

Coù nhieàu caùch phaân loaïi nhieät dung rieâng, neáu döïa vaøo ñôn vò ño vaø ñaëc tính

quaù trình ta coù caùc loaïi sau:

a) Khi laáy ñôn vò ño laø kg: goïi laø nhieät dung rieâng khoái löôïng, kyù hieäu c

(kJ/kg.ñoä)




- - 28

- Neáu quaù trình tieán haønh trong ñieàu kieän aùp suaát khoâng ñoåi, goïi laø nhieät dung

rieâng khoái löôïng ñaúng aùp kyù hieäu : cp

- Neáu quaù trình tieán haønh trong ñieàu kieän theå tích khoâng ñoåi, goïi laø nhieät dung

rieâng khoái löôïng ñaúng tích kyù hieäu: cv

b) Khi laáy ñôn vò ño laø m3 tieâu chuaån: goïi laø nhieät dung rieâng theå tích, kyù hieäu

c’ (kJ/m3tc.ñoä) (m3tc ño ôû ñieàu kieän: p = 760 mmHg, t = 0 oC).

Töông töï ta cuõng coù c’p vaø c’v,laàn löôït laø nhieät dung rieâng theå tích ñaúng aùp vaø

nhieät dung rieâng theå tích ñaúng tích.

c) Khi laáy ñôn vò ño laø kmol: goïi laø nhieät dung rieâng kmol, kyù hieäu c

(kJ/kmol.ñoä).

Töông töï ta cuõng coù cp vaø cv, kyù hieäu cho nhieät dung rieâng kmol ñaúng aùp vaø

nhieät dung rieâng kmol ñaúng tích.

* Moái quan heä giöõa caùc loaïi nhieät dung rieâng:

Khi bieát nhieät dung rieâng naøy caàn xaùc ñònh nhieät dung rieâng kia ta duøng caùc

moái quan heä sau:

+ c = tcvcc

'.

(3-3a)

+ cp – cv = R (3-3b)

+ kc

c

v

p (3-3c)

Trong ñoù k laø soá muõ ñoaïn nhieät: k > 1

Töø ( 3-3b) vaø (3-3c)

cv = 1k

R (3-3d)

cp = 1

.

k

Rk (3-3e)

3.2.3: Söï phuï thuoäc nhieät dung rieâng vaøo nhieät ñoä.

a) Quan heä haèng soá: Trong kyõ thuaät khi tính toaùn khoâng caàn ñoä chính xaùc cao

ta coi nhieät dung rieâng khoâng phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä, chæ phuï thuoäc vaøo tính chaát cuûa

chaát moâi giôùi, ñeå xaùc ñònh ta coù baûng sau:

Loaïi khí k kcal/kmol.ñoä

cv cp

Khí 1 nguyeân töû 1,6 3 5

Khí 2 nguyeân töû 1,4 5 7

Khí töø 3 nguyeân töû trôû leân 1,3 7 9

b) Quan heä ñöôøng thaúng: ÔÛ möùc ñoä chính xaùc vöøa phaûi nhieät dung rieâng phuï

thuoäc vaøo nhieät ñoä theo quan heä ñöôøng thaúng nhö sau:

c = a + bt (3-4)




- - 29

c) Quan heä ñöôøng cong:Khi möùc ñoä chính xaùc cao nhieät dung rieâng phuï thuoäc

vaøo nhieät ñoä theo quan heä ñöôøng cong:

c = a’+ b’t + dt2 (3-5)

Trong ñoù: a, b, a’, b’, d laø nhöõng haèng soá xaùc ñònh töø thöïc nghieäm.

3.2.4: Tính nhieät löôïng theo nhieät dung rieâng.

a) Theo nhieät dung rieâng thöïc:

Töø ñònh nghóa (3-1): c = dt

dq

dq = c.dt

Khi cho quaù trình tieán haønh töø traïng thaùi 1 ñeán traïng thaùi 2 tích phaân ta ñöôïc

q = 2

1

dtc

q = c(t2 – t1) (3-6)

b) Theo nhieät dung rieâng quan heä laø ñöôøng thaúng:

Ta coù: c = a + bt

dq = ( a + bt )dt

Tích phaân:

q = 2

1

dtbta

q = a.t + 2

1

2tb2

1

q = a(t2 - t1) + 2122 ttb

2

1

hay: q = [a + b

]2

tt 12 .(t2 - t1) (3-7)

c) Theo quan heä laø ñöôøng cong:

Töø (3-5): c = a’+ b’t + dt2

q = 2

1

2 dtdtt'b'a

Töông töï tích phaân theo t vaø ñaët (t2 – t1) laøm thöøa soá chung:

q = [a + b

3

ttttd

2

tt 2122

2112 ].(t2 - t1) (3-8)

d) Theo nhieät dung rieâng trung bình.

Töø ñònh nghóa:

2

1

t

t

c =12 tt

q




- - 30

q = 2

1

t

t

c (t2 – t1) (a)

Caùc baûng khoâng cho nhieät dung rieâng trung bình töø t1 t2, chæ coù töø 0 t naøo

ñoù maø thoâi, do vaäy nhieät dung rieâng trung bình töø t1 t2 ñöôïc xaùc ñònh:

2

1

t

t

c =12

1

t

02

t

0

tt

tctc 12

(b)

Thay (b) vaøo (a) vaø ñôn giaûn ta ñöôïc:

q = 2t

0

c t2 – 2t

0

c t1 (3-9)

e) Theo entropy:

Töø ñònh nghóa veà entropy:

ds = T

dq

dq = T.ds

Tích phaân :

q = T 2

1

ds (Vôùi T = const ,hoaëc Ttb)

q = T(s2 – s1) (3-10)

3.2.5: Nhieät dung rieâng cuûa hoãn hôïp khí lyù töôûng.

Nhieät löôïng caàn thieát ñeå naâng hoãn hôïp khí leân 1 ñoä, cuõng chính laø soá nhieät

löôïng laøm cho caùc khí thaønh phaàn taêng leân 1 ñoä.

Do ñoù ta coù:

* Neáu nhieät dung rieâng khoái löôïng:

Ñaúng tích: cv = g1cv1 + g2cv2 + … =

n

iviicg

1

Ñaúng aùp : cp = g1cp1 + g2cp2 + … =

n

ipiicg

1

* Neáu nhieät dung rieâng theå tích:

Ñaúng tích: c’v = r1c’v1 + r2c’v2 + … =

n

iviicr

1

'

Ñaúng aùp: c’p = r1c’p1 + r2c’p2 + … =

n

ipiicr

1

'

* Ñoái vôùi nhieät dung rieâng kmol:

Ñaúng tích: cv = r1cv1 + r2cv2 + … =

n

iviicr

1

Ñaúng aùp : cp = r1cp1 + r2cp2 + … =

n

ipiicr

1




- - 31

3.3: CAÙC LOAÏI COÂNG.

3.3.1: Coâng thay ñoåi theå tích.

Laø coâng sinh ra khi theå tích chaát moâi giôùi thay ñoåi. Kyù hieäu l (J/kg)

Cho 1kg chaát moâi giôùi vaøo trong xilanh vôùi aùp suaát p, treân ñoù ñaët moät piston coù

dieän tích S. Khi ta cung caáp cho chaát moâi giôùi moät nhieät löôïng voâ cuøng beù laø dp, chaát

moâi giôùi giaõn nôû laøm piston dòch chuyeån moät ñoaïn nhoû dx. Vaäy coâng sinh ra töông

öùng luùc naøy seõ laø:

dl = p.S.dx

dl = p.dv

Khi quaù trình tieán haønh töø traïng thaùi 1 ñeán traïng thaùi 2 thì:

l = 2

1

pdv , (J/kg) (3-11)

l > 0 khi chaát moâi giôùi giaõn nôû

l < 0 khi chaát moâi giôùi neùn

Neáu tính cho G kg thì:

L = G.l = G 2

1

pdv , (J) (3-12)

3.3.2: Coâng löu ñoäng vaø coâng kyõ thuaät. (llñ ,lkt) J/kg

Hình 3.1

v1 v2

v

p

p

dvdx

p

xilanh

1 kg

Piston coù dieän tích S

dx

f + dff

p + dpp




- - 32

Trong ñoù: p : aùp suaát

f : tieát dieän oáng

dx: ñoaïn dòch chuyeån nhoû.

Ñeå xaùc ñònh coâng löu ñoäng vaø coâng kyõ thuaät, ta xeùt moät doøng moâi chaát chuyeån

ñoäng trong oáng nhö hình treân. Khi quaù trình ñöôïc tieán haønh seõ laøm thay ñoåi traïng thaùi

trong heä hôû nhö treân, ta phaûi toán moät coâng dòch chuyeån chaát moâi giôùi goïi laø coâng löu

ñoäng, phaàn coâng coøn laïi ñöôïc söû duïng vaøo muïc ñích coù ích trong kyõ thuaät goïi laø coâng

kyõ thuaät, coâng kyõ thuaät thöôøng söû duïng ôû daïng ñoäng naêng cuûa moâi chaát.

ÔÛ ñaây, coâng giaõn nôû seõ baèng coâng löu ñoäng vaø coâng kyõ thuaät, vaø ta coù:

dl = dllñ + dlkt (3-13)

Vôùi:

dllñ = ( p + dp)(f + df)dx – p.f.dx

= p.f.dx + p.df.dx + f.dp.dx + dp.df.dx – p.f.dx

= ( p.df + f.dp)dx

= d(p.f)dx

dllñ = d(p.v) (3-14)

Töø (3-13) coâng kyõ thuaät ñöôïc xaùc ñònh:

dlkt = dl - dllñ

dlkt = p.dv – d(p.v)

hay: dlkt = p.dv – (p.dv + v.dp)

Vaäy: dlkt = - v.dp

Khi quaù trình tieán haønh töø 1 ñeán 2:

lkt = - 2

1

vdp (3-15)

Qua ñoù ta thaáy raèng coâng kyõ thuaät phuï thuoäc vaøo quaù trình, coâng döông hay aâm

ñieàu naøy hoaøn toaøn phuï thuoäc vaøo söï thay ñoåi aùp suaát do doøng chuyeån ñoäng.




- - 33

CHÖÔNG 4

ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG THÖÙ NHAÁT

4.1: NOÄI DUNG VAØ YÙ NGHÓA CUÛA ÑÒNH LUAÄT.

Thöïc chaát cuûa ñònh luaät nhieät ñoäng thöù nhaát laø ñònh luaät baûo toaøn vaø bieán hoaù

naêng löôïng öùng duïng trong phaïm vi nhieät, ñònh luaät ñöôïc phaùt bieåu:

“ Naêng löôïng khoâng töï maát ñi cuõng khoâng töï taïo ra, maø noù chæ coù theå bieán ñoåi

töø daïng naøy sang daïng khaùc trong caùc quaù trình lyù hoùa khaùc nhau maø thoâi”. Hay noùi

caùch khaùc: toång naêng löôïng toaøn phaàn trong heä coâ laäp laø khoâng ñoåi.

Trong phaïm vi nhieät ñoäng, moät löôïng nhieät naêng naøo ñoù bò maát ñi taát yeáu seõ

sinh ra moät löôïng cô naêng xaùc ñònh vaø ngöôïc laïi.

4.2: PHÖÔNG TRÌNH ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG THÖÙ NHAÁT

4.2.1: Phöông trình caân baèng naêng löôïng toång quaùt.

Trong tröôøng hôïp toång quaùt khi chaát moâi giôùi trong heä nhaän moät nhieät löôïng Q

töø moâi tröôøng, naêng löôïng toaøn phaàn cuûa heä seõ bieán ñoåi moät löôïng W vaø sinh coâng

ngoaøi laø Ln taùc ñoäng ñeán moâi tröôøng, theo ñònh luaät baûo toaøn ta coù:

Q = W + Ln (4-1)

Khi tính cho 1 kg:

q= w + ln (4-2)

Coâng thöùc (4-1) vaø (4-2) laø daïng toång quaùt cuûa ñònh luaät nhieät ñoäng thöù nhaát.

4.2.2: Phöông trình ñònh luaät nhieät ñoäng thöù nhaát cho heä kín vaø hôû.

Xeùt 1 khoái khí baát kyø khi ta cung caáp cho noù moät nhieät löôïng voâ cuøng nhoû dQ

thì noù seõ thay ñoåi noäi naêng dU vaø sinh ra moät coâng töông öùng laø dL.

Theo ñònh luaät baûo toaøn:

dQ = dU + dL (4-3)

Khi tính cho 1 kg:

dq = du +dl

dq = du + pdv (4-4)

dq = du + d(pv) – vdp

Hay dq = d(u + pv) - vdp

vôùi i = u + pv :enthanpy

dq = di – vdp (4-5)

Töø (4-4) suy ra:

dq = cvdT + pdv

Tích phaân:

q = u + l (l: coâng thay ñoåi theå tích) (4-6)

Töø (4-5) suy ra:

dq = cpdT - vdp




- - 34

Tích phaân:

q = i +lkt , ( lkt :coâng kyõ thuaät) (4-7)

Coâng thöùc (4-6) vaø (4-7) laø phöông trình cuûa ñònh luaät nhieät ñoäng thöù nhaát cho

heä kín vaø heä hôû.

4.2.3: Phöông trình ñònh luaät nhieät ñoäng thöù nhaát quaù trình löu ñoäng.

Ñoái vôùi quaù trình löu ñoäng, coâng ngoaøi baèng 0, do ñoù nhieät löôïng tham gia ñeå

bieán ñoåi naêng löôïng toaøn phaàn:

q= w = i + 2

2 + g.h (a)

Trong ñoù: : vaän toác doøng

g : gia toác troïng tröôøng

h: ñoä cao ôû hai ñaàu oáng

Thöôøng ñoä cheânh 2 ñaàu oáng daãn coù h nhoû

g.h o

q = i + 2

2

hay: dq = di + d(2

2) (4-8)

4.2.4: Phöông trình ñònh luaät thöù nhaát ñoái vôùi quaù trình hoãn hôïp.

Khi hoãn hôïp chaát khí trong heäõ khoâng thöïc hieän coâng ngoaøi (Ln = 0) vaø neáu

khoâng coù söï trao ñoåi nhieät giöõa heä vôùi moâi tröôøng. (Q = 0)

Töø (4-1) ta coù:

Q = W1 – W2 +Ln

W1 = W2

W1 vaø W2 laø naêng löôïng toaøn phaàn cuûa heä tröôùc vaø sau khi xaûy ra quaù trình

hoãn hôïp.

4.2.5: Chöùng minh moät soá ñaúng thöùc vaø coâng thöùc.

a) Chöùng minh ñaúng thöùc du = cv .dT ñoái vôùi khí lyù töôûng:

Töø ñònh luaät nhieät ñoäng thöù nhaát ta coù:

dq = du + p.dv

Ñoái vôùi quùa trình ñaúng tích dv = 0

(dq)v = (du)v

Hay: vv dT

du

dT

dq

Maø: v

v

cdT

dq

(du)v = cv.dT




- - 35

Bieåu thöùc naøy ñuùng cho caû khí thöïc, coøn ñoái vôùi khí lyù töôûng:

(du)v = du

Vaäy: du = cv.dT.

b) Chöùng minh coâng thöùc Mayer:

Töø ñònh luaät nhieät ñoäng moät ta coù:

dq = cv.dT + p.dv (a)

Vaø: dq = cp.dT – v.dp (b)

Töø (a) vaø (b) ta suy ra:

(cp - cv)dT = p.dv + v.dp = d(p.v) = R.dT

cp - cv = R.

4.3: ÖÙNG DUÏNG ÑÒNH LUAÄT THÖÙ NHAÁT ÑEÅ TÍNH BIEÁN THIEÂN CAÙC HAØM

TRAÏNG THAÙI VAØ CAÙC THOÂNG SOÁ QUAÙ TRÌNH.

4.3.1: Caùc quaù trình nhieät ñoäng cô baûn cuûa khí lyù töôûng.

a) Khaùi nieäm: Trong thöïc teá kyõ thuaät xaûy ra raát nhieàu caùc quaù trình nhieät ñoäng

khaùc nhau, nhöõng quaù trình nhieät ñoäng cô baûn thöôøng gaëp laø: quaù trình ñaúng tích, quaù

trình ñaúng aùp, quaù trình ñaúng nhieät, quaù trình ñoaïn nhieät, quaù trình ña bieán. Caùc quaù

trình ñoù xaûy ra söï bieán hoùa naêng löôïng döôùi daïng nhieät, coâng, noäi naêng,…

ÔÛ ñaây ta nghieân cöùu ñaëc tính caùc quaù trình, xaùc laäp bieåu thöùc quan heä caùc

thoâng soá, tính toaùn caùc daïng naêng löôïng cho töøng quaù trình.

b) Ñoä bieán thieân enthanpy: i (J/kg)

Ñònh nghóa: i = u + pv

Hay: i = u + RT

Vi phaân: di = du + RdT

di = cvdT + RdT

di = cpdT

Tích phaân 2 veá töø traïng thaùi 1 2, ta ñöôïc:

i = cp(T2 – T1) (4-9)

c) Ñoä bieán thieân entropy: s (J/kg.ñoä)

Ñònh nghóa:

ds = T

dq

Hay : ds = T

pdvdu , vôùi pv = RT

v

R

T

p

ds = v

dvR

T

dTcv

Tích phaân 2 veá ñi töø traïng thaùi 1 2, ta ñöôïc:




- - 36

s = 1

2

1

2 lnlnv

vR

T

Tcv (4-10)

d) Quaù trình ñaúng tích: (v = const)

- Quan heä caùc thoâng soá:

(1) p1v = RT1 (a) (4-11)

(2) p2v = RT2 (b)

- Ñoä bieán thieân entropy:

Toång quaùt:

s = 1

2

1

2 lnlnv

vR

T

Tcv

Vì quaù trình ñaúng tích coù :v2 = v1

s = 1

2lnT

Tcv (4-12)

- Coâng giaõn nôû: l (J/kg)

Ta coù: l = 2

1

pdv , vì : v2 = v1

l = 0

- Coâng kyõ thuaät: lkt (J/kg)

Ta coù: lkt = - 2

1

vdp

Tích phaân:

lkt = v(p1-p2)

Hay: lkt = R(T1 – T2)

- Nhieät löôïng: q (J/kg)

Töø ñònh luaät 1:

q = u + l maø l = 0

q = u = cv(T2 – T1)

Heä soá bieán hoùa naêng löôïng : laø tæ soá giöõa ñoä bieán thieân noäi naêng vaø nhieät

löôïng tham gia quaù trình (bieát tæ leä caùc daïng naêng löôïng trong quaù trình)

1

2

1

2

P

P

T

T

v

p

s

T




- - 37

v = q

u= 1 (4-13)

Giaù trò 1: Noùi leân quaù trình ñaúng tích nhieät löôïng tham gia chæ ñeå bieán thieân noäi

naêng, hoaøn toaøn khoâng sinh coâng.

e) Quaù trình ñaúng aùp: (p = const)


(1) pv1 = RT1 (a) (4-14)

(2) pv2 = RT2 (b)


Toång quaùt:

s = 1

2

1

2 lnlnv

vR

T

Tcv

Vì quaù trình ñaúng aùp coù: 1

2

1

2

v

v

T

T

s = ( cv + R) ln1

2

T

T

s = 1

2lnT

Tcp (4-15)


Ta coù: l = 2

1

pdv

l = p(v2 - v1)

hay l = R(T2 – T1) (4-16)


Ta coù: lkt = - 2

1

vdp , vì : p1 = p2

lkt = 0



q = u + l

q = cv(T2 – T1) + R(T2 – T1)

q = cp(T2 – T1) (4-17)

1

2

1

2

v

v

T

T




- - 38

- Heä soá bieán hoùa naêng löôïng :

Ta coù: = kTTc

TTc

q

u

p

v 1

12

12

Neáu chaát moâi giôùi laø khí 2 nguyeân töû thì : k=1,4 5

7

= 7

5

7

5 : ñeå bieán thieân noäi naêng.

7

2 : ñeå sinh coâng.

f/ Quaù trình ñaúng nhieät: (T = const)

Ñoái vôùi quaù trình ñaúng nhieät: u = 0

i = 0 vì : T2 = T1


(1) p1v1 = RT = const (4-18)

(2) p2v2 = RT = const

Toång quaùt: pv = const (4-19)


Toång quaùt:

s = 1

2

1

2 lnlnv

vR

T

Tcv

Vì quaù trình ñaúng nhieät coù: cv.ln1

2

T

T= 0

s = 1

2lnv

vR (4-20)

Hay : s = 2

1lnp

pR


2

1

1

2

v

v

p

p

2v

v

p

s

T




- - 39

Ta coù: l = 2

1

pdv

pv = RT p = v

RT=v

const

l = RT 2

1 v

dv

Tích phaân: l = 2

1

1

2 lnlnp

pRT

v

vRT

Hay: l = 2

122

1

211 lnln

p

pvp

v

vvp (4-21)


Ta coù: lkt = - 2

1

vdp

pv = RT v = p

RT

lkt = - 2

1

1

2 lnlnp

pRT

p

pRT

Hay lkt = 1

2lnv

vRT (4-22)

Vaäy ñoái vôùi quaù trình ñaúng nhieät ta coù: lkt = l.



q = u + l maø: (u = 0)

q = l = 2

1

1

2 lnlnp

pRT

v

vRT (4-23)

g) Quaù trình ñoaïn nhieät: laø quaù trình chaát moâi giôùi tieán haønh hoaøn toaøn khoâng

trao ñoåi nhieät vôùi moâi tröôøng beân ngoaøi.

Toång quaùt :

q = 0 vaø dq = 0

- Phöông trình cuûa quaù trình:


s

T

v

p




- - 40

dq = cvdT + pdv = 0 (a)


pv = RT

Vi phaân 2 veá:

pdv + vdp = RdT

dT = R

vdppdv

Thay dT vaøo (a):

R

cv (pdv+vdp) + pdv = 0

hay pdv(R

cv +1) + R

cv vdp = 0

cppdv + cvvdp = 0

Chia taát caû cho : cv

k.p.dv + vdp = 0 (b)

Tích phaân 2 veá:

Phöông trình cuûa quaù trình ñoaïn nhieät seõ laø:

pvk = const (4-24)

(b) k.pdv = - vdp

Tích phaân: k pdv= - vdp

Hay : k.l = lkt (4-25)

Ñieàu naøy cho thaáy raèng ñoái vôùi quaù trình ñoaïn nhieät coâng kyõ thuaät seõ baèng k

laàn coâng thay ñoåi theå tích.

- Ñoä bieán thieân entropy: (s)

Ñònh nghóa ds = T

dq (maø dq = 0)

ds = 0 s = const

s = 0

Quaù trình ñoaïn nhieät coøn goïi laø quaù trình ñaúng entropy.

-Ñoä bieán thieân noäi naêng: (u)

u = cv (T2 - T1)

-Ñoä bieán thieân enthanpy: (i)

i = cp (T2 - T1)


(1) p1v1 = RT1 ; p1kv1 = const (c)

(2) p2v2 = RT2 ;p2kv2 = const (d)




- - 41

(c) vaø (d)

k

v

v

p

p

2

1

1

2 , k

p

p

v

v1

2

1

1

2

(e)

(c)(d) vaø (e) k

k

k

p

p

p

p

p

p

v

v

p

p

T

T1

1

2

1

2

1

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

1

2

1

2

kk

v

v

v

v

v

v

T

T

1

2

1

1

1

2

1

2

kk

k

v

v

p

p

T

T (4-26)


Ta coù: l = 2

1

pdv (f)

Töø (2-24) vaø (c):

p = kk

k

v

const

v

vp11

(f) l = kvp 11

2

1

dvv k

Tích phaân:

l = 2

1

111

1

kk

vk

vp

l = 12

1

111

1

kkk

vvk

vp

l = 22111

1vpvp

k

(4-27)

Hay l = 211

TTk

R

(4-28)

l = cv (T1 – T2) = - u

Töø (4-27) l =

k

k

p

p

k

vp1

1

211 11

(4-29)

s

T

v

p




- - 42

l) Quaù trình ña bieán:

Trong tröôøng hôïp toång quaùt ta nghieân cöùu quaù trình coù = const, quaù trình nhö

vaäy ñöôïc goïi laø quaù trình ña bieán, vôùi moãi giaù trò ta coù moät quaù trình ña bieán töông

öùng.

- Phöông trình cuûa quaù trình:

Ta coù: = q

u = const

q =

u

Vi phaân: dq = vc dT

Ñaët: cn = vc : nhieät dung rieâng ña bieán

dq = cn.dT (a)

Töø ñònh luaät 1: dq = cvdT + pdv (b)

Vaø: dq = cpdT – vdp (c)

Töø (a) vaø (c) (cn – cp) dT = - vdp (d)

Töø (a) vaø (b) (cn – cv) dT = pdv (e)

Chia (d) cho (e):

pdv

vdp

cc

cc

vn

pn

Ñaët n = vn

pn

cc

cc

: soá muõ ña bieán

n.pdv + vdp = 0 (g)

Tích phaân: pvn = const (4-30)

(4-30) laø phöông trình cuûa quaù trình ña bieán

- Quan heä caùc thoâng soá: Töông töï quaù trình ñoaïn nhieät ta cuõõng coù :

1

2

1

1

1

2

1

2

nn

n

v

v

p

p

T

T (4-31)


(4-32)

l = 22111

1vpvp

n

l = 211

TTn

R

l =

n

n

p

p

n

RT1

1

21 11




- - 43

- Coâng kyõ thuaät:

lkt = n.l (4-33)

Vaäy coâng kyõ thuaät baèng n laàn coâng thay ñoåi theå tích.

- Nhieät löôïng:

q = 2

1

dTcn

q = cn(T2 – T1)

maø n = vn

pn

cc

cc

cn = cv 1

n

kn

neân : q = cv1

n

kn(T2 – T1) (4-34)


ds = T

dTc

T

dqn

s = 1

2lnT

Tcn (4-35)

- Khi n = 0 (4-30) coù: p = const quaù trình ñaúng aùp

- Khi n =1 (4-30) coù: T = const quaù trình ñaúng nhieät

- Khi n = k (4-30) coù: pvk = const quaù trình ñoaïn nhieät

- Khi n (4-30) coù: v = const quaù trình ñaúng tích

4.3.2: Caùc quaù trình nhieät ñoäng cô baûn cuûa khí lyù thöïc.

Caùc quaù trình nhieät ñoäng cô baûn cuûa khí thöïc bao goàm: Quaù trình ñaúng tích, quaù

trình ñaúng aùp, quaù trình ñaúng nhieät, quaù trình ñoaïn nhieät. Vieäc xaùc ñònh caùc thoâng soá

traïng thaùi ta thöôøng duøng caùc baûng hoaëc ñoà thò.

a) Ñoä bieán thieân enthanpy, noäi naêng, entropy:

Caùc quaù trình cô baûn treân, ñoä bieán thieân enthanpy, noäi naêng, entropy ñeàu ñöôïc

xaùc ñònh:

i = i2 – i1 (a)

u = u2 – u1 (b) (4-36)

s = s2 – s1 (c)

n=0

n=±n=1

v

p n=k

n=1

n = k n=0

s

T n = ±




- - 44

Ñoái vôùi khí thöïc quaù trình ñaúng nhieät coù: u 0 vaø i 0. Maëc khaùc ñoái vôùi

khí thöïc quaù trình xaûy ra bao giôø cuõng khoâng thuaän nghòch (vì luoân luoân coù ma saùt,…)

Nhöng ôû ñaây ta giaû thuyeát laø thuaän nghòch:

ds = T

dq = 0

s = const

s = 0

b) Quaù trình ñaúng tích:

l12 = 2

1

pdv = 0 ; (vì :v1 =v2) (4-37)

lkt = - 2

1

vdp = v(p1 – p2) (4-38)

q = u + l12 = u2 - u1 ; (l12 = 0) (4-39)

c) Quaù trình ñaúng aùp:

s2s1

x=0

x=1

x1

1

2

i1

i2k

i

s

Vôùi:

x1,t1

v1=v2

t2

s2s1

x=0

x=1

x1

1

2

i1

i2k

i

s

Vôùi:

x1

p1=p2

t2




- - 45

l12 = 2

1

pdv = p(v2 – v1) (4-40)

lkt = - 2

1

vdp = 0 (4-41)

q = i – lkt = i2 - i1 ; (4-42)

d) Quaù trình ñaúng nhieät:

q = 2

1

Tds = T(s2 – s1) (4-43)

l12 = q - u (4-44)

lkt = q - i (4-45)

e) Quaù trình ñoaïn nhieät:(thuaän nghòch)

q = 0 (4-46)

Töø ñònh luaät 1 q = u + l12 = 0

l12 = u1 – u2 (4-47)

q = i + lkt = 0

lkt = i1 – i2 (4-48)

i2

s

i

k

i1

2

1

x1

x=1x = 0

s1 s2

i22

s1=s2

x=0x=1

x1

1i1

k

i

s




- 46 -

CHÖÔNG 5

CAÙC QUAÙ TRÌNH NHIEÄT ÑOÄNG CUÛA KHÍ VAØ HÔI

5.1: QUAÙ TRÌNH NEÙN KHÍ HOAËC HÔI.


Khí hoaëc hôi neùn, ñöïôc söû duïng khaù roäng raõi trong coâng nghieäp, ñôøi soáng, y

teá,… Döïa vaøo ñaëc ñieåm caáu taïo, nguyeân lyù laøm vieäc thì maùy neùn khí chia laøm 2 loaïi:

- Maùy neùn piston: loaïi naøy khí ñöôïc huùt vaøo xilanh neùn vôùi aùp suaát cao roài ñaåy

vaøo bình chöùa.

- Maùy neùn ly taâm, höôùng truïc vaø voøi phun: neùn baèng caùch taïo cho chaát khí coù

vaän toác lôùn, bieán ñoäng naêng thaønh noäi naêng laøm taêng aùp suaát chaát khí.

Tuy vaäy veà phöông dieän ñoäng hoïc quaù trình neùn xaûy ra trong caùc maùy ñeàu nhö

nhau, ôû ñaây ta ñeà caäp maùy neùn piston.

5.1.2: Quaù trình neùn khí trong maùy neùn piston 1 caáp.

a/ Caùc quaù trình cô baûn:

Vôùi: a: Van huùt

b: Van ñaåy

c: Bình chöùa

p

V

1

2k 2n 2T

3

4

v1 v2

c

b

a




- 47 -

Trong ñoù:

1-2T : quaù trình neùn ñaúng nhieät

1-2n: quaù trình neùn ña bieán (vôùi n = 1,2 1,25)

1-2k: quaù trình neùn ñoaïn nhieät

* Khi piston ñi töø traùi sang phaûi khí ñöôïc naïp vaøo xilanh vôùi aùp suaát khoâng ñoåi

quaù trình: 4-1, quaù trình naøy traïng thaùi khí khoâng ñoåi.

* Khi piston chuyeån ñoäng ngöôïc laïi ( 2 van ñeàu ñoùng), khí trong xilanh bò neùn

ñeán moät aùp suaát caàn thieát quaù trình:1-2, quaù trình naøy traïng thaùi chaát khí thay ñoåi.

* Khi ñaït ñöôïc aùp suaát caàn thieát van thaûi môû khí ñöïôc ñaåy vaøo bình chöùa vôùi

aùp suaát khoâng ñoåi.

Ñeå ñaït ñöôïc aùp suaát theo yeâu caàu ta coù theå thöïc hieän: quaù trình neùn ñaúng nhieät,

quaù trình neùn ña bieán, hoaëc quaù trình neùn ñoaïn nhieät.

b) Coâng tieâu hao maùy neùn piston 1 caáp:

Giaû thuyeát quaù trình neùn laø thuaän nghòch, toác ñoä khí vaøo vaø ra khoûi xilanh baèng

nhau (ñoäng naêng doøng khí khoâng ñoåi). Coâng tieâu hao lyù thuyeát cuûa maùy neùn 1 caáp

chính baèng dieän tích (12341).

Coâng maùy neùn ñöôïc xaùc ñònh theo coâng kyõ thuaät.

Ta coù: ln = - 2

1

vdp (J/kg) (5-1)

+ Khi quaù trình neùn laø ñaúng nhieät:(T = const)


pv = RT v = p

RT

ln = - RT 2

1p

dp

Tích phaân ta ñöôïc:

ln = - RT1

2lnp

p (5-2)

Hay ln = - p1v11

2lnp

p (5-3)

+ Khi quaù trình neùn laø ñoaïn nhieät:

Ta coù phöông trình toång quaùt quaù trình ñoaïn nhieät:

pvk = const; hay vp k1

= const (a)

Vieát cho traïng thaùi 1:

p1v1k = const; hay 1

1

1 vp k = const (b)




- 48 -

Töø (a) vaø (b) v = kk

k

p

const

p

vp11

1

1

1

Thay vaøo (5-1)

ln = -

2

1

1

1

1

1 dppvp kk

Tích phaân ta ñöôïc:

ln = -

11

1

1

211

k

k

p

pvp

k

k (5-4)

hay ln = -

11

1

1

21

k

k

p

pRT

k

k (5-5)

+ Khi quaù trình neùn laø ña bieán: Töông töï quaù trình ñoaïn nhieät ta coù:

ln = -

11

1

1

21

n

n

p

pRT

n

n (5-6)

* Nhaän xeùt: Trong 3 quaù trình neùn, maùy neùn coù quaù trình neùn ñaúng nhieät coâng

tieâu hao maùy neùn laø nhoû nhaát, maùy neùn coù quaù trình neùn ñoaïn nhieät coù coâng tieâu hao

laø lôùn nhaát.

c) Taùc haïi cuûa dung tích thöøa:

Trong thöïc teá khi neùn ñænh piston vaø naép xilanh khoâng theå saùt vaøo nhau ñöôïc,

maø giöõa chuùng luoân coù moät khoaûng hôû, taïo thaønh moät vuøng khoâng gian coù haïi hay coøn

goïi laø phaàn dung tích thöøa. Ñoà thò thöïc teá seõ laø:

V

p gh pgh

p3 3’ 3

p2 2’ 2

p1 0

vtt

1 vt

vlt

0’




- 49 -

Trong ñoù:

Vt : Dung tích thöøa

Vlt : Dung tích lyù thuyeát

Vtt : Dung tích thöïc teá.

Do coù dung tích thöøa, neân luoân luoân coù quaù trình giaõn nôû 2’-0, laøm cho löôïng

khí huùt vaøo xilanh töông öùng laø Vtt ( Vtt < Vlt). Neáu quaù trình neùn coù aùp suaát caøng lôùn

thì Vtt caøng bò thu heïp, löôïng khí naïp cuõng nhoû theo vaø neáu ta neùn ñeán moät aùp suaát

naøo ñoù goïi laø aùp suaát giôùi haïn, luùc naøy quaù trình giaõn nôû truøng vôùi quaù trình neùn

Vtt = 0, löôïng khí naïp cuõng = 0 (khoâng neùn ñöôïc).

Ñeå ñaùnh giaù löôïng khí naïp vaøo, ta ñaët:

v

lt

tt

V

V : Hieäu suaát theå tích (5-7)

0 < v < 1.

5.1.3: Quaù trình neùn khí trong maùy neùn piston nhieàu caáp.

Khi söû duïng maùy neùn piston 1 caáp, neáu ta taêng aùp suaát thì löôïng khí neùn seõ

giaûm xuoáng. Do ñoù khi caàn neùn aùp suaát cao söû duïng maùy neùn 1 caáp khoâng coù lôïi. Maët

khaùc aùp suaát neùn caøng cao thì nhieät ñoä caøng lôùn laøm cho cheá ñoä boâi trôn keùm. Thöïc te á

p2 (10 12) p1.

Vì vaäy khi neùn aùp suaát cao ngöôøi ta söû duïng maùy neùn nhieàu caáp coù laøm maùt

trung gian.

a/ Sô ñoà nguyeân lyù maùy neùn 2 caáp coù laøm maùt trung gian:

p2T2

Caáp 1 p1T1

B

A

p2T1

p3T2

Caáp 2

C




- 50 -

A: Ñöôøng nöôùc laøm maùt

B: Boä laøm maùt trung gian

C: Bình chöùa.

b/ Ñoà thò lyù thuyeát maùy neùn 2 caáp coù laøm maùt trung gian:

Trong ñoù:

1-2: quaù trình neùn ña bieán ôû caáp 1.

2-2’: quaù trình laøm maùt ñaúng aùp ôû boä laøm maùt trung gian.

2’-3: quaù trình neùn ña bieán ôû caáp 2 (coù laøm maùt trung gian)

2-3’: quaù trình neùn ña bieán ôû caáp 2 (khi khoâng laøm maùt trung gian)

Treân p-v ta thaáy: Khi coù laøm maùt trung gian coâng tieâu hao cuûa maùy neùn 2 caáp

seõ nhoû hôn khi khoâng laøm maùt vôùi dieän tích töông öùng laø: dt(2 3’ 3 2’ 2).

* Söï phaân boá aùp suaát giöõa caùc caáp:

Ñoái vôùi maùy neùn nhieàu caáp ta caàn choïn aùp suaát trung gian giöõa caùc caáp ñeå sao

cho coâng tieâu hao laø nhoû nhaát. Ôû ñaây ta xem soá muõ ña bieán laø khoâng ñoåi ôû caùc caáp.

Nhieät ñoä qua caùc bình laøm maùt trung gian trôû veà nhieät ñoä ban ñaàu. Coâng tieâu hao cuûa

maùy neùn 2 caáp seõ baèng toång coâng caáp moät vaø coâng caáp hai:

ln = -

11

11

1

2

31

1

1

21

n

n

n

n

p

pRT

n

n

p

pRT

n

n

hay ln = -

21

1

2

3

1

1

21

n

n

n

n

p

p

p

pRT

n

n (5-8)

p3

p1Caáp 1

Caáp 2

T1 = const

T2 = const

T3 = const 2

3

V

p

p2

2'

1

3'




- 51 -

Ñeå coâng tieâu hao coù trò tuyeät ñoái laø nhoû nhaát thì giaù trò trong ngoaëc vuoâng laø

nhoû nhaát ( nhieät ñoä sau khi neùn phaûi trôû veà baèng tröôùc khi neùn).

- Quaù trình 1-2:

n

n

p

p

T

T1

1

2

1

2

(a)

- Quaù trình 2’-3:

n

n

p

p

T

T1

'2

3

'2

3

(b)

maø T2 = T3

T2’ = T1

p2’ = p2

(b) n

n

p

p

T

T1

2

3

1

2

(c)

Töø (a) vaø (c):

2

3

1

2

p

p

p

p : tæ soá taêng aùp

1

32

p

p

1

3

p

p

Vaäy ñeå coâng tieâu hao coù trò tuyeät ñoái laø nhoû nhaát ta choïn tæ soá taêng aùp ôû moåi

caáp phaûi baèng nhau.

(5-8) lnmin = -

21

11

1 n

n

n

n

RTn

n

hay lnmin = -

11

2 1

1 n

n

RTn

n

Vaäy coâng tieâu hao nhoû nhaát cuûa maùy neùn hai caáp seõ laø:

lnmin = -

11

2

1

1

31

n

n

p

pRT

n

n (5-9)

Ta coù theå suy ra tæ soá taêng aùp cuûa maùy neùn i caáp töø maùy neùn hai caáp:

1

1

p

pii

dau

cuoi

i

p

p

Coâng nhoû nhaát maùy neùn i caáp:




- 52 -

lnmin = -

11

*

1

1

n

n

dau

cuoii

p

pRT

n

ni (5-10)

c) Nhieät thaûi qua xilanh vaø qua bình laøm maùt trung gian:

Nhieät thaûi cuûa maùy neùn bao goàm hai thaønh phaàn:

- Nhieät thaûi do quaù trình neùn ña bieán, thoâng qua xilanh.

- Nhieät thaûi qua bình laøm maùt trung gian (ñaúng aùp).

Ñoà thò bieåu thò quaù trình thaûi nhieät maùy neùn 2 caáp.

Trong ñoù: Nhieät thaûi qua xilanh ôû caáp neùn thöù nhaát töông öùng vôùi dieän tích

(1,2,s2,s1,1).

Ta coù:

qx = cn(T2 - T1)

qx = cv

1

1 1

21T

TT

n

kn

hay qx = cv

11

1

1

21

n

n

p

pT

n

kn

qx = cv

11

1

1n

n

Tn

kn (a)

- Nhieät thaûi qua bình laøm maùt trung gian öùng vôùi dieän tích (2, 2’, s2’ ,s2 ,2).

Ta coù: qt = cp(T2’ - T2)

hay qt = cp(T1 - T2)

ñeå q > 0

qt = cp(T2 - T1)

s

T

T2

T1

s3

3

p3 = const

2’

2

1

p2 = const p1 =const

s2’ s1 s2




- 53 -

qt = cpT1

1

1

2

T

T

qt = cpT1

1

1

1

2n

n

p

p

qt = cpT1

11

n

n

(b)

Neáu laø maùy neùn i caáp, soá xilanh laø i vaø soá boä laøm maùt trung gian seõ laø ( i –1).

Vaäy nhieät thaûi cuûa maùy neùn i caáp seõ laø:

q = i. qx + ( i -1) qt

q = i. cv

11

1

1n

n

Tn

kn + ( i -1) cpT1

11

n

n

q =

pv

n

n

i

d

c cin

knci

p

pT 1

1..1

1

1 (5-11)

5.2: QUAÙ TRÌNH LÖU ÑOÄNG.


Trong moät soá ñoäng cô hieän nay khi yeâu caàu toác ñoä lôùn, neáu söû duïng ñoäng cô

piston seõ gaëp moät soá haïn cheá nhö: söùc beàn khoâng cho pheùp, coâng suaát thöøa,… Ñeå khaéc

phuïc ngöôøi ta söû duïng loaïi ñoäng cô coù caùnh (turbine) duøng trong maùy phaùt ñieän, ñoäng

cô phaûn löïc,… Trong tröôøng hôïp naøy doøng khí hoaëc hôi coù chuyeån ñoäng töông ñoái lôùn

neân ta khoâng theå boû qua ñoäng naêng cuûa chuùng ñöôïc. Söï chuyeån ñoäng cuûa doøng khí

hoaëc hôi nhö vaäy ñöôïc goïi laø quaù trình löu ñoäng.

5.2.2: Giaû thuyeát khi nghieân cöùu quaù trình löu ñoäng.

Ñeå thuaän tieân cho vieäc nghieân cöùu quaù trình löu ñoäng, ta döïa treân moät soá giaû

thuyeát sau:

- Chuyeån ñoäng cuûa doøng trong keânh daãn laø ñoaïn nhieät.

- Taát caû caùc thoâng soá ñaëc tröng cho traïng thaùi cuûa chaát moâi giôùi ôû moãi tieát

dieän ñeàu laø haèng soá (chuùng chæ thay ñoåi doïc theo keânh daãn).

- Toác ñoä doøng ôû moãi thieát dieän ngang laø haèng soá.

- Ñieàu kieän chuyeån ñoäng trong keânh daãn khoâng thay ñoåi theo thôøi gian

(ñieàu kieän oån ñònh), löu löôïng qua caùc tieát dieän laø haèng soá.

G = 1

11.

v

f

v

f = const (5-12)

(ÖÙng vôùi moät cheá ñoä löu ñoäng vaø hình daùng kích thöôùc oáng daãn).

Trong ñoù:




- 54 -

G: löu löôïng (kg/s)

: toác ñoä doøng (m/s)

f : tieát dieän ngang cuûa oáng (m2)

v: theå tích rieâng (m3/kg)

0-0: Maët caét thaúng goùc chieàu chuyeån ñoäng ôû cöûa vaøo

1-1: Maët caét thaúng goùc chieàu chuyeån ñoäng ôû cöûa ra.

a/ Tính chaát cuûa doøng:

Töø ñònh luaät nhieät ñoäng 1 vaø ñònh lyù ñoäng naêng, ta coù:

dq = di – vdp (a)

dq = di + d )2

(2

(b)

Töø (a) vaø (b) d )2

(

2= - vdp (c)

Hay d = - vdp (5-13)

Töø (5-13) cho thaáy trong quaù trình löu ñoäng giöõa dp vaø d luoân luoân ngöôïc daáu

nhau.

Khi d > 0 thì dp < 0 : toác ñoä taêng thì aùp suaát giaûm.

Khi d < 0 thì dp > 0 : aùp suaát taêng thì toác ñoä giaûm.

Khi taêng goïi laø oáng taêng toác, coøn khi p taêng goïi laø oáng taêng aùp.

b/ Toác ñoä aâm thanh – soá Mach:

- Toác ñoä aâm thanh: laø toác ñoä lan truyeàn caùc chaán ñoäng nhoû trong moâi tröôøng

ñaøn hoài. Kyù hieäu: a

Ñoái vôùi quaù trình löu ñoäng ñoaïn nhieät thuaän nghòch:

a = vpk .. , (m/s) (5-14)

Ñoái vôùi khí lyù töôûng:

a = TRk .. , (m/s)

Toác ñoä aâm thanh phuï thuoäc moâi tröôøng vaø traïng thaùi chaát khí.

1

Doøng

khí vaøo Doøng

khí ra

0

0

1




- 55 -

- Soá Mach: kyù hieäu M, laø tæ soá giöõa vaän toác doøng vaø vaän toác aâm thanh.

M = a

(5-15)

- Khi : < a M < 1:quaù trình löu ñoäng döôùi aâm

- Khi : = a M = 1: quaù trình löu ñoäng baèng aâm (toác ñoä aâm thanh)

- Khi : > a M > 1: quaù trình löu ñoäng treân aâm (sieâu aâm).

5.2.3: Caùc coâng thöùc cô baûn.

a/ Toác ñoä doøng:

Töø ñònh lyù ñoäng naêng:

dq = di + d )2

(2

(d)

Vì quaù trình löu ñoäng laø ñoaïn nhieät dq = 0

(d) di = - d )2

(2

Tích phaân 2 veá vaø laáy caän töø 0 ñeán 1, ta ñöôïc:

i0 – i1 = 2

20

21

1 = 20102 ii , m/s (5-16)

Trong ñoù: 0, 1: Vaän toác doøng ôû cöûa vaøo vaø ra, m/s

i0, i1 : Enthanpy ôû cöûa vaøo vaø ra, J/kg

Ñoái vôùi oáng taêng toác thì: 1 >> 0

Töø (5-16) suy ra: 1 = 102 ii (5-17)

Bieåu thöùc (5-17) thöôøng ñöôïc aùp duïng cho hôi nöôùc (deã daøng xaùc ñònh io, i1 ).

Ñoái vôùi khí lyù töôûng: töø (c) ta coù:

d

2

2= - vdp

Tích phaân vaø laáy caän töø 0 ñeán 1, ta ñöôïc:

1

0 01

1

0

20

21

2lkvdp

(e)

vôùi : l01=

k

k

p

p

k

vp1

0

100 11

Töø (e) 2

20

21

=

k

k

p

pvp

k

k1

0

100 1

1




- 56 -

Vaäy toác ñoä doøng ôû cöûa ra seõ laø:

1= 20

1

0

100 1

1

2

k

k

p

pvp

k

k

Vaø neáu khi 1 >> 0 thì:

1=

k

k

p

pvp

k

k1

0

100 1

1

2 , (m/s) (5-18)

b/ Löu löôïng:

Töø giaû thuyeát cuûa quaù trình löu ñoäng, ta coù:

G=1

11

v

f

Hay: G =

k

k

p

pvp

k

k

v

f1

0

100

1

1 11

2 (5-19)

Quaù trình löu ñoäng laø ñoaïn nhieät neân:

v1= v0

k

p

p1

1

0

Töø (5-19) G =

k

k

k

p

p

p

p

v

p

k

kf

1

0

1

2

0

1

0

01

1

2 (5-20)

ÔÛ ñaây: k, f1, p0, v0 laø nhöõng haèng soá.

Ñaët: 0

1

p

p: tæ soá thay ñoåi aùp suaát.

Töø (5-20) G =

k

k

k

v

p

k

kf

12

0

01

1

2 , (kg/s) (5-21)

* Caùc giaù trò ñaëc bieät cuûa G: löu löôïng G phuï thuoäc vaøo

. G = 0 Khi = 0 hoaêc = 1

p1 0

= 0

p0

= 1 p1 = p0

. G = Gmax

Ñeå xaùc ñònh Gmax ta laáy ñaïo haøm G theo , cho G’=0 ta suy ra tôùi haïn (th).

Giaûi ra ta ñöôïc:




- 57 -

th = 1

1

2

k

k

k

Thay th vaøo (5-20) ta nhaän ñöôïc Gmax seõ laø:

Gmax =

k

k

k

kkk

k

kkv

p

k

kf

1

1

2

1

0

01

1

2

1

2

1

2

Gmax =

1

1

1

2

0

01

1

2

1

2

1

2 k

k

k

kkv

p

k

kf

Ñaët 1

2

1

2

k

k laøm thöøa soá chung vaø ruùt goïn, ta ñöôïc:

Gmax = 1

2

0

01

1

2

1

2

k

kv

p

k

kf (5-22)

Nhö vaäy khi toác ñoä t ôû cöûa ra caøng taêng, thì tæ soá p1 / p0 caøng giaûm,

nghóa laø p1 caøng giaûm. Öùng vôùi söï giaûm cuûa p1 thì löu löôïng G seõ taêng leân,

nhöng p1 khoâng theå nhoû hôn pth cho neân löu löôïng G seõ ñaït ñeán moät giaù trò cöïc

ñaïi goïi laø Gmax nhö ñaõ xaùc ñònh.

Quan heä giöõa Gmax vaø

0

1

p

pth

G

0

Gmax




- 58 -

c/ Vaän toác tôùi haïn: (th)

Khi khaûo saùt oáng taêng toâc nhoû daàn, toác ñoä 1 ôû cöûa ra khoâng theå lôùn hôn

moät giaù trò xaùc ñònh goïi laø vaän toác tôùi haïn th . Do vaäy aùp suaát p1 cuûa moâi chaát ôû

cöûa ra cuõng khoâng theå nhoû hôn pth. Ñeå xaùc ñònh vaän toác tôùi haïn, ta thay th vaøo

(5-18):

th =

k

k

k

k

kvp

k

k

1

1

001

21

1

2

Ruùt goïn:

th =

1

21

1

200

kvp

k

k

hay: th = 001

2vp

k

k

(5-23)

Keát hôïp phöông trình traïng thaùi vôùi moái quan heä giöõa caùc thoâng soá trong quaù

trình ñoaïn nhieät töø 0 th, ta coù:

k

k

th

k

k

thththth p

p

T

T

vp

vp11

0000 1

; vôùi:

ththp

p

10

2

1

2

1

1

100

kk

vp

vpk

k

k

k

thth

p0v0 = pthvth

2

1k

Töø (5-23) th = 2

1

1

2

kvp

k

kthth

th = ththvpk. , (m/s) (5-24)

So saùnh (5-24) vaø (5-14) ta thaáy vaän toác tôùi haïn khoâng theå vöôït quaù vaän toác aâm

thanh. Muoán coù vaän toác lôùn hôn vaän toác aâm thanh ngöôøi ta phaûi nhôø ñeán oáng daãn coù

hình daïng ñaëc bieät.

5.2.4: Söï phuï thuoäc hình daïng oáng daãn (profile) vaøo toác ñoä khi löu ñoäng ñoaïn

nhieät.

Ta coù: G = v

f .

Hay v.G =f.

Vi phaân 2 veá:

Gdv = f.d + .df

Chia 2 veá cho f. ta ñöôïc:




- 59 -

f

dfddv

f

G

f

dfd

v

dv

d

v

dv

f

df (a)

Ta ñaõ coù: d = -vdp

2

vdpd (b)

Vì laø quaù trình ñoaïn nhieät neân:

k.p.dv = -vdp

kp

dp

v

dv (c)

Thay (b) vaø (c) vaøo (a) ta ñöôïc:

kp

dpvdp

f

df

2

2

22

kp

dpa

f

df (5-25)

Vaäy:

Ñoái vôùi oáng taêng toác: (dp < 0)

Daáu cuûa df phuï thuoäc vaøo (a2 - 2)

+ khi: < a; thì (a2 - 2) > 0

maø dp < 0 df < 0

Vaäy ñeå taêng ñöôïc toác ñoä cuûa doøng löu chaát, thì tieát dieän oáng coù daïng nhoû

daàn.

+ khi: > a thì (a2 -

2) < 0 maø dp < 0 df > 0

Tröôøng hôïp naøy ñeå taêng toác ñoä cuûa doøng löu chaát, thì tieát dieän oáng phaûi

coù daïng lôùn daàn.




- 60 -

Thöïc teá vaän toác ban ñaàu thöôøng nhoû hôn vaän toác aâm thanh, ñeå coù ñöôïc vaän

toác sau cuøng lôùn hôn vaän toác aâm thanh ta phaûi duøng oáng taêng toác hoãn hôïp, coøn goïi laø

oáng Laval vaø coù daïng nhö øsau:

1

p1

p th

0

p0

f1

p1

v1

1 > a

pth

vth

th= a

f0

p0

v0

0 < a




- 61 -

5.3: QUAÙ TRÌNH TIEÁT LÖU.

5.3.1 :Khaùi nieäm vaø ñaëc ñieåm cuûa quaù trình tieát löu.

a) Khaùi nieäm: Thöïc nghieäm cho thaáy doøng khí hoaëc hôi (hay löu chaát) khi

chuyeån ñoäng trong oáng neáu gaëp trôû löïc ñoä ngoät ( van, oáng mao daãn, van tieát löu,…) thì

aùp suaát phía sau tieát dieän bò thu heïp seõ thaáp hôn aùp suaát phía tröôùc. Quaù trình naøy

ñöôïc goïi laø quaù trình tieát löu.

b) Ñaëc ñieåm:

- Quaù trình tieát löu laø quaù trình khoâng thuaän nghòch vaø laø quaù trình ñoaïn nhieät

neân khoâng phaûi laø quaù trình ñaúng entropy (trao ñoåi nhieät giöõa chaát moâi giôùi vôùi moâi

tröôøng raát nhoû).

- Khi qua tieát löu aùp suaát giaûm nhöng khoâng sinh coâng ngoaøi maø ñeå thaéng söùc

caûn do ma saùt vaø xoaùy.

Töø ñònh luaät nhieät ñoäng 1 cho doøng khí:

dq = di + d

2

2 = 0 (ñoaïn nhieät) (a)

di = - .d

Tích phaân töø 0 1 ta ñöôïc:

i0 – i1 = 2

20

21

(b)

Theo thöïc nghieäm vaän toác tröôùc vaø sau tieát löu xem nhö khoâng ñoåi. (1 = 0)

(b) i1 = i0

Nhö vaäy quaù trình tieát löu enthanpy cuûa chaát moâi giôùi laø khoâng ñoåi.

- Ñoái vôùi khí lyù töôûng ta coù:

di = cp.dT = 0

Neân quaù trình tieát löu ñoái vôùi khí lyù töôûng coù nhieät ñoä khoâng ñoåi.

1 i0 = i1

Ø

p0 > p1

0 = 1

i

p

0

0 1




- 62 -

5.3.2 : Hieäu öùng Joule – Thomson.

Ñoái vôùi khí thöïc quaù trình tieát löu nhieät ñoä thay ñoåi nhö theá naøo, ta döïa vaøo

khaùi nieäm hieäu öùng Joule – Thomson nhö sau:

= idp

dT

(5-26)

Trong ñoù: : Heä soá hieäu öùng Joule – Thomson

i : Enthanpy khoâng ñoåi.

Maø quaù trình tieát löu aùp suaát giaûm (dp < 0). Do ñoù vaø dT luoân luoân ngöôïc daáu

nhau.

- Khi > 0 thì dT < 0 : Nhieät ñoä chaát moâi giôùi khi tieát löu seõ giaûm.

- Khi = 0 thì dT = 0 : Nhieät ñoä chaát moâi giôùi khi tieát löu seõ khoâng ñoåi. Nhieät

ñoä naøy goïi laø nhieät ñoä chuyeån bieán: Tcb

- Khi < 0 thì dT > 0 : Nhieät ñoä chaát moâi giôùi khi tieát löu seõ taêng.

ÖÙng vôùi moãi giaù trò aùp suaát cuûa chaát moâi giôùi coù 2 giaù trò nhieät ñoä chuyeån bieán:

Nhieät ñoä chuyeån bieán pha hôi hcbT vaø nhieät ñoä chuyeån bieán pha loûng l

cbT (vôùi hcbT > l

cbT )

. Neáu chaát khí coù nhieät ñoä ban ñaàu To < hcbT : Nhieät ñoä seõ giaûm sau tieát löu.

. Neáu chaát loûng coù nhieät ñoä ban ñaàu To > lcbT : Nhieät ñoä cuõng seõ giaûm sau tieát

löu.

Quaù trình tieát löu ñöôïc öùng duïng trong kyõ thuaät laïnh, ñieàu chænh coâng suaát cuõng

nhö löu löôïng doøng,…

Coù theå xaùc ñònh baèng phöông trình vi phaân enthanpy:

di = cpdT - dpvT

vT

p

= 0

dT = p

p

c

dpvT

vT

Thay dT vaøo (5-26) ta ñöôïc:

= p

p

c

vT

v.T

(5-27)




- 63 -

CHÖÔNG 6

ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG THÖÙ HAI

6.1: CHU TRÌNH NHIEÄT ÑOÄNG.

6.1.1: Ñònh nghóa veà chu trình.

Trong caùc maùy nhieät ñeå sinh coâng moät caùch lieân tuïc, chaát moâi gôùi sau khi giaõn

nôû caàn phaûi taïo ra quaù trình ñeå ñöa chaát moâi giôùi veà traïng thaùi ban ñaàu. Noù coù nghóa

laø chaát moâi giôùi phaûi taïo caùc quaù trình kín, hay noùi caùch khaùc laø noù thöïc hieän moät chu

trình.

6.1.2: Chu trình thuaän chieàu.

Chu trình thuaän chieàu laø chu trình bao goàm caùc quaù trình coù chieàu tieán haønh

theo chieàu kim ñoàng hoà. (Hình 6.1. a).

Hình 6.1: Chu trình thuaän chieàu vaø nghòch chieàu

Chu trình naøy coù ñöôøng cong giaõn nôû naèm treân ñöôøng cong neùn neân coâng nhaän

ñöôïc coù giaù trò döông ( l > 0). Caùc ñoäng cô nhieät ñeàu laøm vieäc theo kieåu naøy.

6.1.3: Chu trình nghòch chieàu.

Chu trình nghòch chieàu laø chu trình bao goàm caùc quaù trình coù chieàu tieán haønh

ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà. (Hình 6.1 b). Chu trình naøy coù ñöôøng cong giaõn nôû naèm

döôùi ñöôøng cong neùn neân coâng cuûa chu trình naøy coù giaù trò aâm (l < 0). Caùc loaïi maùy

laïnh, bôm nhieät laøm vieäc theo kieåu naøy.

6.1.4: Coâng cuûa chu trình. (lct: J/kg)

Coù theå tính coâng chu trình baèng caùc caùch sau:

a) Caùch 1:

Ta coù: d(pv) = pdv + vdp

vdppdvpvd )(

Trong ñoù tích soá pv laø haøm traïng thaùi neân:

)( pvd = 0

0 = vdppdv

p p

a a

b l>0

q1

q2

v1 v2

v v b q2

q1

l<0

v1 v2

a) b)

2

1

2

1




- 64 -

Vôùi n quaù trình:

0 =

n

i

n

iKTii ll

1 1

lCT =

n

iil

1

=

n

iKTil

1

(6-1)

Coâng cuûa chu trình baèng toång coâng caùc quaù trình.Coù theå xaùc ñònh theo toång

coâng thay ñoåi theå tích hoaëc toång coâng kyõ thuaät

Coâng cuûa chu trình thuaän chieàu ôû hình 6.1 a

lCT = l1a2 – l2b1

hay : lCT = dt(1.a.2.v2,v1) – dt(1.b.2.v2.v1)

lCT = dt(1a2b1) > 0

Coâng cuûa chu trình nghòch chieàu ôû hình 6.1 b

lCT = l1b2 – l2a1

hay : lCT = dt(1.b.2.v2,v1) – dt(2.a.1v1.v2)

maø : dt(2.a.1.v1.v2) > dt(1.b.v2.v1)

lCT = dt(1b2a) < 0

b) Caùch 2:

Coâng chu trình tính theo nhieät löôïng:

Ta coù: dq = du + pdv

pdvdudq

Vôùi chu trình 0du

lCT =

n

iiq

1

(6-2)

- Ñoái vôùi chu trình thuaän:

lCT = q1 - q2

- Ñoái vôùi chu trình nghòch:

lCT = q1 - q2

6.1.5: Hieäu suaát nhieät, heä soá laøm laïnh, heä soá bôm nhieät.

a) Hieäu suaát nhieät: Ñeå ñaùnh giaù möùc ñoä hoaøn thieän cuûa chu trình thuaän chieàu,

ngöôøi ta ñöa ra ñaïi löôïng goïi laø hieäu suaát nhieät, kí hieäu : t

t = 1

21

1 q

qq

q

lCT

t = 1

21

q

q , (6-3)

( 0 ≤ t ≤ 1 )




- 65 -

b) Heä soá laøm laïnh: Ñoái vôùi chu trình ngöôïc chieàu,chu trình maùy laïnh ñeå ñaùnh

giaù möùc ñoä hoaøn thieän ngöôøi ta ñöa ra ñaïi löôïng goïi laø heä soá laøm laïnh. Coøn ñoái vôùi

chu trình bôm nhieät ta coù heä soá bôm nhieät .

= 21

22

qq

q

l

q

CT (6-4)

( : Coù theå lôùn hôn 1)

= 21

11

qq

q

l

q

CT (6-5)

Moái quan heä giöõa vaø

= + 1 (6-6)

6.1.6: Chu trình Carnot.

a) Chu trình carnot thuaän nghòch thuaän chieàu:

Laø chu trình bao goàm 2 quaù trình ñaúng nhieät vaø ñoaïn nhieät xen keõ nhau. (coù

chieàu theo chieàu kim ñoàng hoà).

- Quaù trình ñaàu tieân laø quaù trình giaõn nôû ñaúng nhieät, chaát moâi giôùi hoaøn toaøn tieáp

xuùc vôùi nguoàn noùng neân chaát moâi giôùi nhaän nhieät q1 töø nguoàn noùng. (T1 = const)

- Quaù trình thöù hai seõ laø quaù trình giaõn nôû ñoaïn nhieät, chaát moâi giôùi ñi töø nguoàn

noùng T1 ñeán nguoàn laïnh coù nhieät ñoä T2.

- Quaù trình tieáp theo laø quaù trình neùn ñaúng nhieät chaát moâi giôùi tieáp xuùc hoaøn toaøn

vôùi nguoàn laïnh (T2 = const) ñoàng thôøi nhaû nhieät löôïng q2 cho nguoàn laïnh.

- Quaù trình cuoái seõ laø quaù trình neùn ñoaïn nhieät chaát moâi giôùi ñi töø nguoàn laïnh ñeå

trôû veà nguoàn noùng öùng vôùi traïng thaùi ban ñaàu.

Hình 6.2: Ñoà thò p-v vaø T-s chu trình Carnot thuaän.

Hieäu suaát nhieät:

Ta coù: t = 1

21q

q

q1 = T1 (sb – sa) = T1(s)

q2= T2 sd -sc = T2s

Vaäy: t = 1

21T

T (6-7)

a a

d

q1

q2

T1=c

T2 =c

v

p T

Y

s

b

q2

q1

s

b

c

dq=0

c d

T1

T2




- 66 -

Nhaän xeùt:

- Hieäu suaát nhieät cuûa chu trình Carnot chæ phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä cuûa 2 nguoàn

noùng vaø laïnh, khoâng phuï thuoäc vaøo tính chaát cuûa chaát moâi giôùi.

- Hieäu suaát nhieät caøng lôùn khi ñoä cheânh nhieät ñoä giöõa hai nguoàn noùng vaø laïnh

caøng cao.

- Hieäu suaát nhieät 1 khi hoaëc T2 0 hoaëc T1 (ñieàu naøy khoâng theå xaûy

ra).

- Hieäu suaát nhieät = 0 khi T2 = T1 hay noùi caùch khaùc khi chæ coù moät nguoàn nhieät

duy nhaát.

b/ Chu trình Carnot thuaän nghòch ngöôïc chieàu:

Töông töï chu trình carnot thuaän, chu trình naøy cuõng bao goàm 2 quaù trình ñaúng

nhieät vaø ñoaïn nhieät xen keõ nhau. (coù chieàu ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà)

Hình 6.3: Ñoà thò p-v vaø T-s chu trình Carnot ngöôïc.

Heä soá laøm laïnh:

Ta coù: = 21

2

qq

q

Töông töï: q1 = T1s

q2 = T2 s

Vaäy: = 21

2

TT

T

(6-8)

Nhaän xeùt: cuûa chu trình Carnot ngöôïc cuõng chæ phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä T1, T2

khoâng phuï thuoäc vaøo tính chaát cuûa chaát moâi giôùi.

Heä soá bôm nhieät:

Ta coù:

= 21

1

qq

q

Töông töï: = 21

1

TT

T

(6-9)

a a

d

q1

q2

T1=c

T2 =c

v

p T

Y

s

b

q2

q1

s

b

c

dq=0

c d

T1

T2




- 67 -

6.2: ÑÒNH LUAÄT NHIEÄT ÑOÄNG THÖÙ HAI.

6.2.1: Noäi dung vaø caùch phaùt bieåu.

Ñònh luaät nhieät ñoäng thöù hai laø ñònh luaät xaùc ñònh khaû naêng (ñieàu kieän) vaø

chieàu höôùng xaûy ra cuûa caùc quaù trình.

Xaùc ñònh raèng: Moïi quaù trình töï nhieân ñeàu laø caùc quaù trình töï phaùt (quaù trình khoâng

thuaän nghòch) bieán ñoåi töø traïng thaùi khoâng caân baèng ñeán traïng thaùi caân baèng. Trong

quaù trình bieán ñoåi naøy cho pheùp ta nhaän naêng löôïng coù ích vaø khi ñaõ ôû traïng thaùi caân

baèng roài töï noù khoâng theå bieán ñoåi ngöôïc laïi. Muoán ñoåi ngöôïc laïi noù phaûi tieâu toán moät

naêng löôïng töø beân ngoaøi.

A: Traïng thaùi khoâng caân baèng

B: Traïng thaùi caân baèng

Ñi töø A ñeán B: töï nhieân

Ñi töø B ñeán A: caàn naêng löôïng töø ngoaøi.

Ñònh luaät ñöôïc ruùt ra töø thöïc nghieäm vaø coù theå phaùt bieåu baèng caùc caùch nhö

sau:

+ Nhieät löôïng luoân ñi töø nôi coù nhieät ñoä cao ñeán nôi coù nhieät ñoä thaáp. (Muoán

laøm ngöôïc ñieàu naøy ta phaûi tieâu hao moät naêng löôïng)

+ Khoâng theå coù maùy nhieät chaïy tuaàn hoaøn coù khaû naêng bieán ñoåi toaøn boä nhieät

caáp cho maùy thaønh coâng maø khoâng maát moät phaàn nhieät truyeàn cho vaät khaùc. (l < q1)

6.2.2: Ñoä bieán thieân entropy cuûa heä nhieät ñoäng.

Chieàu höôùng xaûy ra cuûa caùc quaù trình laø söï bieán ñoåi töø traïng thaùi khoâng caân

baèng ñeán traïng thaùi caân baèng. Khi quaù trình bieán ñoåi laø thuaän nghòch coâng thu ñöôïc se õ

lôùn nhaát. Ngöôïc laïi quaù trình tieán haønh caøng xa söï thuaän nghòch thì coâng nhaän ñöôïc

caøng nhoû (do coâng tieâu hao lôùn). Ñaïi löôïng bieåu thò ñoä khoâng thuaän nghòch cuûa quaù

trình laø entropy.

Ñoái vôùi chu trình Carnot thuaän nghòch ta coù:

1

21

1

21t

T

TT

q

qq

Hay: 1

2

1

2t

T

T1

q

q1

B

A




- 68 -

1

2

1

2

T

T

q

q

1

1

2

2

T

q

T

q = 0

ÔÛ ñaây q2 laø nhieät nhaû coù giaù trò aâm

- 2q = q2

Vaäy: 2

2

1

1

T

q

T

q = 0 (a)

Töø (a) cho thaáy raèng moät chu trình thuaän nghòch baát kyø seõ laø toång cuûa nhieàu

chu trình Carnot thuaän nghòch:

12

12

11

11

T

dq

T

dq +

22

22

21

21

T

dq

T

dq + … +

2n

2n

1n

1n

T

dq

T

dq = 0

Hay: T

dq = 0 (b)

ÔÛ ñaây T

dq laø vi phaân toaøn phaàn moät haøm traïng thaùi naøo ñoù cuûa p vaø v.

T

dq = ds = 0

Hay: ds = T

dq

Vaäy ta coùø coâng thöùc ñònh nghóa veà entropy:

ds = T

dq

a/ Ñoái vôùi quaù trình thuaän nghòch: Luùc naøy vaät nhaän nhieät laø thuaän nghòch, quaù

trình xaûy ra trong vaät laø thuaän nghòch, do vaäy bieán ñoåi entropy seõ laø:

ds = T

dq (6-10)

- Coøn ñoái vôùi chu trình thuaän nghòch:

Tdq

= 0 (6-11)

b/ Ñoái vôùi quaù trình khoâng thuaän nghòch: Vì laø quaù trình khoâng thuaän nghòch

neân luoân toàn taïi moät phaàn coâng tieâu hao (do ma saùt,…) neân ñoä bieán ñoåi entropy seõ laø:

ds > T

dq (6-12)

- Ñoái vôùi chu trình khoâng thuaän nghòch:

Tdq

< 0 (6-13)




- 69 -

Toång quaùt:

(6-14)

Daáu “ =” ñoái vôùi quaù trình hay chu trình thuaän nghòch.

Daáu “ >” ñoái vôùi quaù trình hay chu trình khoâng thuaän nghòch.

c/ Trong heä coâ laäp: Vì ds > 0, do ñoù entropy trong heä coâ laäp seõ baèng 0 neáu laø

quaù trình thuaän nghòch vaø lôùn hôn 0 khi quaù trình laø khoâng thuaän nghòch. Vaäy entropy

trong heä coâ laäp chæ coù theå taêng khoâng bao giôø giaûm. Söï gia taêng naøy chaám döùt khi

entropy cuûa heä ñaït ñeán giaù trò lôùn nhaát, luùc naøy heä ñaït ñeán traïng thaùi caân baèng.

6.3: Exergy.


Naêng löôïng laø möùc ño chuyeån ñoäng cuûa vaät chaát, öùng vôùi moãi loaïi chuyeån ñoäng

coù moät daïng naêng löôïng nhaát ñònh. Khaû naêng maø naêng löôïng bieán ñoåi thaønh coâng cô

hoïc goïi laø exergy. (lôùn nhaát)

Coù daïng naêng löôïng bieán hoaøn toaøn thaønh coâng cô hoïc ( ñieän naêng, cô naêng,

theá naêng,…), coù daïng naêng löôïng coù khaû naêng bieán ñoåi moät phaàn, cuõng coù daïng naêng

löôïng khoâng coù khaû naêng bieán ñoåi thaønh coâng (nhieät naêng cuûa moâi tröôøng) goïi laø

anergy.

6.3.2: Caùc bieåu thöùc veà exergy.

a/ Exergy cuûa doøng chuyeån ñoäng:

Khi doøng moâi chaát chuyeån ñoäng coù caùc thoâng soá ôû traïng thaùi ban ñaàu laø: T, i,s,…

ñeán traïng thaùi caân baèng vôùi moâi tröôøng coù: T0, i0, s0,… (thuaän nghòch), doøng moâi chaát

coù khaû naêng sinh coâng lôùn nhaát. Coâng naøy chính laø giaù trò exergy cuûa naêng löôïng

nhieät seõ laø:

e = i – i0 – T0(s – s0) , (J/kg) (6-15)

e = i – T0s (6-15)

b/ Exergy cuûa nhieät löôïng q: Coâng lôùn nhaát sinh ra cuûa nhieät löôïng q cuõng

chính laø exergy cuûa nhieät löôïng q. (eq)

eq = q (1 - T

T0 ) , (J/kg) (6-17)

Trong ñoù: T: Nhieät ñoä ban ñaàu cuûa nhieät löôïng q

T0: Nhieät ñoä moâi tröôøng.

Giaù trò cuûa exergy coù theå döông hoaëc aâm, ñieàu naøy phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä ban

ñaàu so vôùi nhieät ñoä moâi tröôøng.

- Vaät chöa ôû traïng thaùi caân baèng moâi tröôøng: e 0

ds > T

dq

vaø: ds > Tdq




- 70 -

- Vaät ôû traïng thaùi caân baèng moâi tröôøng: e = 0

c/ Khaû naêng sinh coâng lôùn nhaát exergy:

Khi doøng moâi chaát bieán ñoåi töø traïng thaùi 1 ñeán traïng thaùi 2 maø vaãn chöa caân

baèng vôùi moâi tröôøng (quaù trình thuaän nghòch) thì coâng trong quaù trình naøy seõ lôùn nhaát.

lmax1-2 = e1 – e2 (6-18)

hay: lmax1-2 = i1 – i2 – To(s1 – s2) (6-19)

- Neáu laø quaù trình khoâng thuaän nghòch do coù toån thaát exergy (et ) neân:

lmax1-2 > l12

Möùc ñoä toån thaát exergy:

et = T0.sh (6-20)

T0 : Nhieät ñoä moâi tröôøng

sh: Ñoä bieán ñoåi exergy cuûa heä.

Ñoái vôùi quaù trình truyeàn nhieät, möùc ñoä toån thaát naøy seõ laø:

et = q

21

210

.TT

TTT (6-21)

Trong ñoù: q: Nhieät toûa töø nguoàn noùng

T1, T2: Nhieät ñoä nguoàn noùng vaø laïnh.

To: Nhieät ñoä moâi tröôøng.

d/ Hieäu suaát exergy:

Hieäu suaát exergy ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc sau:

Coâng thöùc:

e = v

r

e

e (6-22)

er: Toång exergy laáy ra (coâng höõu ích)

ev:Toång exergy ñem vaøo (coâng caáp vaøo).




- - 71

CHÖÔNG 7

CHU TRÌNH THUAÄN CHIEÀU

7.1: ÑÒNH NGHÓA VAØ PHAÂN LOAÏI.

7.1.1: Ñònh nghóa: Chu trình thuaän chieàu laø chu trình coù caùc quaù trình tieán haønh

theo chieàu kim ñoàng hoà, laø chu trình sinh coâng trong caùc ñoäng cô nhieät, bieán nhieät

naêng thaønh cô naêng. Ôû ñaây ta chæ ñeà caäp ñeán caùc chu trình thuaän nghòch.

7.1.2: Phaân loaïi:

Chu trình thuaän chieàu coù theå phaân loaïi theo caùc caùch sau:

* Döïa vaøo phöông thöùc caáp nhieät, bao goàm:

- Ñoäng cô ñoát trong: Laø chu trình coù quaù trình chaùy xaûy ra beân trong

ñoäng cô nhö: Ñoäng cô ñoát trong kieåu piston, turbine khí, ñoäng cô phaûn löïc, teân löûa,…

- Ñoäng cô ñoát ngoaøi: Laø chu trình coù quaù trình chaùy xaûy ra beân ngoaøi

ñoäng cô nhö: Maùy hôi nöôùc, turbine trong nhaø maùy nhieät ñieän, ñieän ñòa nhieät, ñieän

maët trôøi,…

* Döïa vaøo tính chaát cuûa chaát moâi giôùi, bao goàm:

- Ñoäng cô söû duïng chaát moâi giôùi ñöôïc xem laø khí lyù töôûng.

- Ñoäng cô duøng chaát moâi giôùi ôû daïng hôi (khí thöïc) nhö hôi nöôùc, hôi

thuûy ngaân, hôi Freon,…

7.2: CHU TRÌNH ÑOÄNG CÔ ÑOÁT TRONG: (Kieåu Piston).

Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa loaïi naøy ñoù laø saûn phaåm chaùy ñöôïc xem laø chaát moâi

giôùi vaø thöïc hieän caùc quaù trình: naïp, neùn, chaùy nhieân lieäu (caáp nhieät), giaõn nôû sinh

coâng vaø thaûi. Loaïi naøy coù ñoäng cô söû duïng nhieân lieäu xaêng, daàu hoaëc gas. Ngoaøi ra

phuï thuoäc vaøo haønh trình laøm vieäc cuûa piston neân ñöôïc chia ra: ñoäng cô 2 kyø, ñoäng cô

4 kyø.Moãi loaïi ñeàu coù nhöõng öu vaø nhöôïc ñieåm khaùc nhau, nhöng thoâng duïng nhaát

hieän nay vaãn laø loaïi 4 kyø, ôû ñaây ta chæ ñeà caäp loaïi 4 kyø maø thoâi.




- - 72

7.2.1: Chu trình ñoäng cô ñoát trong caáp nhieät ñaúng tích.

a) Chu trình thöïc:

Hình 7.1 Ñoà thò p-v cuûa chu trình thöïc ñoäng cô ñoát trong kieåu piston caáp nhieät

ñaúng tích.

a: van naïp

b: van thaûi

c: buri taïo tia löûa ñieän

Nguyeân lyù hoaït ñoäng nhö sau:

- Quaù trình 0-1: laø quaù trình naïp nhieân lieäu vaø khoâng khí vaøo loøng xilanh. Luùc

naøy piston ñi töø traùi sang phaûi, van naïp a môû ñeå khoâng khí vaø nhieân lieäu vaøo loøng

xilanh. Aùp suaát beân trong nhoû hôn aùp suaát khí trôøi, khi ñeán traïng thaùi1 thì van naïp

ñoùng laïi.

- Quaù trình 1-2: laø quaù trình neùn hoãn hôïp nhieân lieäu vaø khoâng khí. Piston ñi töø

phaûi sang traùi, caû 2 van a vaø b ñeàu ñoùng, aùp suaát trong xilanh taêng leân. Khi ñeán traïng

thaùi 2, buri c baät tia löaû ñieän, toaøn boä hoãn hôïp boác chaùy, aùp suaát vaø nhieät ñoä taêng leân

raát nhanh, vaø keát thuùc quaù trình khi piston chöa kòp dòch chuyeån neân goïi laø quaù trình

caáp nhieät ñaúng tích: 2-3.

- Quaù trình 3-4: laø quaù trình giaõn nôû cuûa saûn phaåm chaùy ñeå sinh coâng. Piston ñi

töø traùi sang phaûi laàn thöù hai, aùp suaát trong xilanh giaûm daàn, hai van ñeàu ñoùng.

- Quaù trình 4-1: laø quaù trình nhaû nhieät (nhaû saûn phaåm chaùy ra ngoaøi). Khi ñeán 4

thì van thaûi b môû ra, do aùp suaát beân trong lôùn hôn aùp suaát moâi tröôøng neân hoãn hôïp

chaùy thoaùt ra ngoaøi raát nhanh, khi piston chöa kòp dòch chuyeån neân goïi 4-1 laø quaù trình

nhaû nhieät ñaúng tích.

p

3

2

4

0 1

v

c

b

a




- - 73

- Quaù trình 1-0: laø quaù trình thaûi hoaøn toaøn. Piston ñi töø phaûi sang traùi, luùc naøy

trong loøng xilanh vaãn coøn saûn phaåm chaùy, do van thaûi vaãn tieáp tuïc môû neân piston ñaåy

toaøn boä hoãn hôïp chaùy coøn soùt laïi ra ngoaøi ñeå trôû veà vôùi traïng thaùi ban ñaàu.

b/ Chu trình lyù thuyeát:

Ñeå tieän cho vieäc nghieân cöùu ta döïa vaøo caùc giaû thuyeát sau:

- Moâi chaát ñöôïc xem laø khí lyù töôûng.

- Caùc quaù trình laø thuaän nghòch.

- Quaù trình chaùy laø quaù trình caáp nhieät.

- Quaù trình thaûi laø quaù trình nhaû nhieät.

- Quaù trình naïp vaø thaûi trieät tieâu nhau veà coâng, heä ñöôïc coi laø heä kín.

*Ñoà thò:

Hình 7.2: Ñoà thò p-v vaø T-s chu trình lyù thuyeát ñoäng cô ñoát trong caáp nhieät ñaúng tích.

*Caùc quaù trình:

1-2: quaù trình neùn ñoaïn nhieät (goàm nhieân lieäu vaø khoâng khí)

2-3: quaù trình caáp nhieät (q1) ñaúng tích (quaù trình chaùy)

3-4: quaù trình giaõn nôû ñoaïn nhieät

4-1: quaù trình nhaû nhieät (q2) ñaúng tích (quaù trình thaûi)

*Hieäu suaát nhieät: t

Ta coù: t = 1 - 1

2

q

q (*)

Caùc ñaïi löôïng ñaëc tröng cuûa chu trình goàm:

2

1

v

v : tæ soá neùn

2

3

p

p : tæ soá taêng aùp khi caáp nhieät.

Maø: q1 = cv(T3 – T2)

q2 = cv(T4 – T1)

3

dq=0

2

q1dq=0

v

1

q2

4

p T

3

q21

2

q1

s

4




- - 74

Töø (*) t = 1 - 23

14

TTc

TTc

v

v

Hay: t = 1 - 23

14

TT

TT

(a)

Quaù trình 1-2: (ñoaïn nhieät)

Ta coù:

1

2

1

1

2

k

v

v

T

T

112 . kTT

Quaù trình 2-3:(ñaúng tích)

Ta coù: 2

3

2

3

p

p

T

T

.. 1123

kTTT

Quaù trình 3-4:(ñoaïn nhieät)

Ta coù:

1

1

2

1

4

3

3

4

kk

v

v

v

v

T

T

1

11134

1...

1.

k

k

kTTT

.14 TT

q1 = cv.T1.k-1( - 1) (7-1)

q2 = cv.T1( - 1) (7-2)

(a) t = 1 - 11

1

k

Vaäy: t = 1 - 1

1k

(7-3)

Nhaän xeùt: Hieäu suaát nhieät cuûa chu trình phuï thuoäc vaøo tæ soá neùn . Taêng thì t

seõ taêng leân.

7.2.2: Chu trình lyù thuyeát ñoäng cô ñoát trong caáp nhieät ñaúng aùp.

Hình 7.3: Ñoà thò p-v vaø T-s chu trình lyù thuyeát ñoäng cô ñoát trong caáp nhieät ñaúng aùp.

q2

q1

q2

q1

p T 2 3dq=0

1v s

1

2

3

44




- - 75

Caùc quaù trình:

1-2: quaù trình neùn ñoaïn nhieät (chæ neùn khoâng khí)

2-3: quaù trình caáp nhieät (q1) ñaúng aùp


4-1: quaù trình nhaû nhieät (q2) ñaúng tích.


Ngoaøi hai ñaïi löôïng ñaëc tröng treân, ôû ñaây coù theâm ñaïi löôïng ñaëc tröng laø :

2

3

v

v= : tæ soá giaõn nôû sôùm.

Ta coù: t = 1 - 1

2

q

q (*)

Vôùi: q1 = cp(T3 – T2)

q2 = cv(T4 – T1)

Töø (*) t = 1 - 23

14

TTk

TT

(b)

- Quaù trình 1-2: 1

2

1

1

2

k

v

v

T

T

112 . kTT

- Quaù trình 2-3:

2

3

2

3

v

v

T

T ... 1

123 kTTT


4

3

3

4

k

v

v

T

T

maø:

1.

1

2

2

3

1

3

4

3 v

v

v

v

v

v

v

v

1

134

1.

k

kTT

1

1114

1...

k

kkTT

kTT .14

q1 = cp.T1.k-1( - 1) (7-4)

q2 =cv.T1(k- 1) (7-5)

(b) t = 1 -

1.

11

k

k

k (7-6)

Ñeå naâng cao t baèng caùch ta taêng vaø giaûm .




- - 76

7.2.3: Chu trình lyù thuyeát ñoäng cô ñoát trong caáp nhieät hoãn hôïp.


1-2: quaù trình neùn ñoaïn nhieät (chæ neùn khoâng khí)

2-5: quaù trình caáp nhieät (q1v) ñaúng tích

5-3: quaù trình caáp nhieät (q1p) ñaúng aùp


4-1: quaù trình nhaû nhieät (q2) ñaúng tích.

Hình 7.4: Ñoà thò p-v vaø T-s chu trình lyù thuyeát ñoäng cô ñoát trong

caáp nhieät hoãn hôïp.


Töø (*)

t = 1 - pv qq

q

11

2

(c)

Vôùi: q1v = cv (T5 – T2)

q1p = cp (T3 – T5)

q2 = cv (T4 – T1)

t = 1 -

5325

14

TTkTT

TT

(d)


2

1

1

2

k

v

v

T

T

112 . kTT

- Quaù trình 2-5:

2

5

2

5

p

p

T

T

... 1125

kTTT

q2

q1p

q2

q1v

q1p q1v

p T5 3dq=0

1 v s

1

3

4 4 2

5

2




- - 77

- Quaù trình 5-3:

5

3

5

3

v

v

T

T

.... 1153

kTTT

- Quaù trình 3-4:

1

4

3

3

4

k

v

v

T

T

maø:

1.

1

2

2

3

1

3

4

3 v

v

v

v

v

v

v

v

1

34 .

k

TT

1

114 ....

k

kTT

kTT ..14

q1v = cv.T1.k-1( - 1) (7-7)

q1p = cp.T1.k-1.( - 1) (7-8)

q2 = cv.T1(.k- 1) (7-9)

Töø (d):

t = 1 -

1.1

1.1

kk

k

(7-10)

Ñeå naâng cao hieäu suaát nhieät t cuûa chu trình baèng caùch ta taêng vaø ñoàng thôøi

giaûm .

7.2.4: So saùnh hieäu suaát nhieät.

a/ Khi 3 chu trình naøy coù cuøng vaø q2:

Hình 7.4 : Ñoà thò T-s cuûa 3 chu trình khi coù cuøng vaø q2

sa

3v

3h

3p

q2

q1v

q1p

sb

T

s

1

2

5

4




- - 78

Ta coù: t = 1 - 1

2

q

q (*)

Döïa vaøo T-s ta coù:

q1v = dt(sa, 2, 3v, sb, sa )

q1h = dt(sa, 2, 5, 3h, sb, sa )

q1p = dt(sa, 2, 3p, sb, sa )

q1v > q1h > q1p

Thay vaøo (*) ta coù:

tv > th > tp (7-11)

Vaäy hieäu suaát nhieät cuûa chu trình caáp nhieät ñaúng tích laø lôùn nhaát vaø ñaúng aùp laø

nhoû nhaát.

b/ Khi 3 chu trình coù cuøng q2 vaø Tmax (quaù trình giaõn nôû):

Hình 7.5: Ñoà thò T-s cuûa 3 chu trình coù cuøng q2 vaø Tmax

Ta coù: t = 1 - 1

2

q

q (*)

Döïa vaøo Hình 7.5 ta coù:

q1p = dt(1, 2p, 3, 4,1 )

q1h = dt(1, 2h, 5, 3, 4, 1 )

q1v = dt(1, 2v, 3, 4, 1 )

q1p > q1h > q1v

Thay vaøo (*) ta coù:

tp > th > tv (7-12)

Vaäy hieäu suaát nhieät cuûa chu trình caáp nhieät ñaúng aùp laø lôùn nhaát vaø ñaúng tích laø nhoû

nhaát.

2p

2h

2v

q2

q1v

q1p

T

s1

3

4

5




- - 79

7.3: CHU TRÌNH TURBINE KHÍ.

Beân caïnh nhöõng öu ñieåm cuûa 3 loaïi ñoäng cô ñoát trong ôû treân nhö: coù theå naâng

cao hieäu suaát nhieät vaø laøm vieäc ôû nhieät ñoä cao, nhöng noù coù caùc haïn cheá nhö coâng

sinh ra khoâng lieân tuïc, ñieàu kieän laøm vieäc cuûa piston ôû vaän toác lôùn seõ aûnh höôûng ñeán

söùc beàn ñoäng cô,… Ñeå khaéc phuïc caùc nhöôïc ñieåm naøy ngöôøi ta söû duïng ñoäng cô

turbine khí.

Öu ñieåm cuûa turbine khí:

- Thieát bò goïn nheï, coâng suaát lôùn.

- Chuyeån ñoäng quay neân khi laøm vieäc ôû vaän toác lôùn khoâng aûnh höôûng ñeán söùc

beàn ñoäng cô.

- Vaän haønh ñôn giaûn,…

Turbine ñöôïc öùng duïng trong maùy phaùt ñieän, maùy bay,… Phuï thuoäc vaøo quaù

trình caáp nhieät, turbine ñöôïc chia laøm hai loaïi: Chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng

tích vaø chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng aùp.

7.3.1: Chu trình lyù thuyeát turbine khí caáp nhieät ñaúng aùp.

a/ Sô ñoà vaø ñoà thò:

Hình 7.6 Sô ñoà turbine khí caáp nhieät ñaúng aùp

1. Bôm nhieân lieäu

2. Maùy neùn

3. Voøi phun

4. Buoàng ñoát

5. OÁng taêng toác

6. Turbine giaõn nôû

7. Maùy phaùt ñieän

1 2 6 7

53 4




- - 80

Khi bôm nhieân lieäu 1 vaø maùy neùn 2 hoaït ñoäng, thoâng qua caùc voøi phun 3 khoâng

khí vaø nhieân lieäu coù aùp vaø nhieät ñoä cao seõ hoøa troän vaø töï boác chaùy trong buoàng ñoát 4.

Hoãn hôïp khí chaùy ñöôïc ñöa vaøo oáng taêng toác 5 tröôùc khi thoåi vaøo caùnh ñoäng cuûa

turbine 6 ñeå sinh coâng cho maùy phaùt ñieän 7.

Hình 7.7: Ñoà thò p-v vaø T-s chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng aùp.


1-2: Quaù trình neùn ñoaïn nhieät, do maùy neùn 2 thöïc hieän

2-3: Quaù trình chaùy ñaúng aùp ôû buoàng ñoát 4

2-4: Quaù trình giaõn nôû ñoaïn nhieät trong turbine 6

4-1: Quaù trình nhaû nhieät ñaúng aùp ra moâi tröôøng.

*Hieäu suaát nhieät:

Ta coù: t = 1 - 1

2

q

q (*)

Vôùi: q1 = cp(T3 – T2)

q2 = cp(T4 – T1)

Töø (*) t = 1 - 23

14

TT

TT

(a)

Ngoaøi caùc ñaïi löôïng ñaëc tröng ñaõ coù trong chu trình ñoäng cô ñoát trong ôû treân, ô û

ñaây ta ñaët: 1

2

p

p=: tæ soá taêng aùp khí neùn.

- Quaù trình 1-2:

1

2

1

1

1

2

1

2

kk

k

v

v

p

p

T

T (b)

11

1

12 .

kk

k

TTT


3

2

3

v

v

T

T =

...1

123 k

k

TTT

q2

q1

q1

q2

p T 2 3dq=0

v s

1

2

3

4

1 4




- - 81

- Quaù trình 3-4: k

k

p

p

T

T1

4

3

4

3

(c)

So saùnh (b) vaø (c):

4

3

1

2

T

T

T

T

kk

k

k

T

TT

T

TTT

1

1

1

1

1

2

134

.

...

.14 TT

Thay caùc giaù trò nhieät ñoä vaøo (a):

t = 1 -

1

11

k

k

t = 1 - k

k 1

1

Hay: t = 1 - 1

1k

(7-13)

Khi taêng hoaëc thì t seõ taêng leân.

7.3.2: Chu trình lyù thuyeát turbine khí caáp nhieät ñaúng aùp coù hoài nhieät.

Ñeå naâng cao hieäu suaát nhieät cuûa turbine ngöôøi ta thöôøng duøng phöông phaùp hoài

nhieät, sô ñoà vaø ñoà thò chu trình naøy ñöôïc bieåu dieãn nhö sau:

Hình 7.8: Sô ñoà turbine khí caáp nhieät ñaúng aùp coù hoài nhieät.

1. Bôm nhieân lieäu

2. Maùy neùn

8

7

6

543

21




- - 82

3. Voøi phun

4. buoàng ñoát

5. OÁng taêng toác

6. Caùnh ñoäng turbine

7. Boä hoài nhieät (gia nhieät)

8. Maùy phaùt ñieän

Hình 7.9: Ñoà thò p-v vaø T-s turbine khí caáp nhieät ñaúng aùp coù hoài nhieät.

Do khí thaûi cuûa turbine coù nhieät ñoä cao, neân duøng ñeå gia nhieät khoâng khí tröôùc

khi ñöa vaøo buoàng ñoát. Ñöôïc goïi laø hoài nhieät hoaøn toaøn khi nguoàn laïnh haáp thuï toaøn

boä nhieät löôïng cuûa nguoàn noùng. ÔÛ ñaây ta coù quaù trình 4-4’ vaø 2-2’ ñöôïc xem laø hoài

nhieät hoaøn toaøn, vaø ta coù T4 = T2’ vaø T2 = T4’

Caùc quaù trình:

1-2: Quaù trình neùn ñoaïn nhieät

2-2’: Quaù trình caáp nhieät ñaúng aùp nhôø boä hoài nhieät

2’-3: Quaù trình caáp nhieät ñaúng aùp trong buoàng ñoát

3-4: Quaù trình giaõn nôû ñoaïn nhieät

4-4’: Quaù trình chuyeån nhieät töø khí thaûi vaøo khí neùn.

4’-1: Quaù trình nhaû nhieät ñaúng aùp ra moâi tröôøng.

Hieäu suaát nhieät:

Ta coù: t = 1 - 1

2

q

q (a)

Khi coù hoài nhieät:

c

cct

q

q

1

21 (b)

maø '211 qqqc

'222 qqqc

2

4

'

'

'2

'4

p

v

1

s

2

T

4

3

1

2 3

42q

q1




- - 83

'21

'221qq

qqct

(c)

maø q1 < '21 qq

q2 > '22 qq

So saùnh (a) vaø (c):

ct > t

Hieäu suaát nhieät cuûa chu trình coù hoài nhieät lôùn hôn chu trình khoâng coù hoài nhieät.

7.3.3: Chu trình lyù thuyeát turbine khí caáp nhieät ñaúng tích.

Söï khaùc bieät giöõa turbine caáp nhieät ñaúng tích vaø ñaúng aùp ñoù laø caáu taïo cuûa

buoàng ñoát. Loaïi naøy ñöôïc boá trí theâm caùc van thaûi, naïp, heä thoáng ñaùnh löûa. Sô ñoà vaø

ñoà thò chu trình ñöôïc bieåu dieãn nhö sau:

Hình 7.10: Sô ñoà turbine khí caáp nhieät ñaúng tích

1. Bôm nhieân lieäu 5. OÁng taêng toác

2. Maùy neùn 6. Turbine

3. Caùc van naïp vaø thaûi 7. Maùy phaùt ñieän

4. Buoàng ñoát a. Heä thoáng ñaùnh löûa

Hình 7.11: Ñoà thò p-v vaø T-s turbine khí caáp nhieät ñaúng tích

1 2 6 7

54

3

a

3

dq = 0

q2

q1

4

2

1 dq = 0

s

T3

2

1 q24

v

p

q1




- - 84

* Caùc quaù trình:


2-3: Quaù trình caáp nhieät ñaúng tích


4-1: Quaù trình nhaû nhieät ñaúng aùp ra moâi tröôøng.


Caùc ñaïi löôïng ñaëc tröng:

1

2

p

p: tæ soá taêng aùp khi neùn

2

3

p

p: tæ soá taêng aùp khi caáp nhieät

Töø : t = 1 - 1

2

q

q (*)

Vôùi: q1 = cv(T3 – T2)

q2 = cp(T4 – T1)

23

141TT

TTkt

(d)

- Quaù trình 1-2:

k

k

p

p

T

T1

1

2

1

2

kk

TT1

12

- Quaù trình 2-3:

2

3

2

3

p

p

T

T

23 TT

.1

13 k

k

TT

- Quaù trình 3-4:

k

k

p

p

T

T1

3

4

3

4

maø 3

2

2

1

32

24

3

4

.

.

p

p

p

p

pp

pp

p

p

.

1

3

4 p

p




- - 85

k

k

TT

1

34.

1

k

k

k

k

TT

1

1

14.

1..

kTT1

14 .

Thay caùc giaù trò nhieät ñoä vaøo (d):

1

1

11

1

k

k

k

t k (7-14)

Ñeå naâng cao hieäu suaát nhieät cuûa chu trình baèng caùch taêng vaø .

7.3.4:Chu trình lyù thuyeát turbine khí caáp nhieät ñaúng tích coù hoài nhieät.

Cuõng nhö turbine caáp nhieät ñaúng aùp, ñeå naâng cao hieäu suaát nhieät cuûa chu trình

ngöôøi ta cuõng duøng bieän phaùp hoài nhieät. Sô ñoà cuûa boä hoài nhieät khoâng khaùc gì so vôùi

loaïi caáp nhieät ñaúng aùp. Ñoà thò chu trình ñöôïc bieåu dieãn nhö sau:

Hình 7.12: Ñoà thò p-v vaø T-s chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng tích

coù hoài nhieät.

ÔÛ ñaây 2 quaù trình 4-4’ vaø 2-2’ cuõng ñöôïc xem laø hoài nhieät hoaøn toaøn vaø ta coù:

T4’ = T2 ; T2’ = T4

Caùc quaù trình:


2-2’: Quaù trình caáp nhieät ñaúng aùp ôû boä hoài nhieät

2’-3: Quaù trình caáp nhieät ñaúng tích ôû buoàng ñoát

p

v

4 1

2

3T

s

dq=0

dq=0

1

2

4

3

4'

2'

2'

4'




- - 86


4-4’: Quaù trình chuyeån nhieät töø khí thaûi vaøo khí neùn.(ôû boä hoài nhieät)

4’-1: Quaù trình nhaû nhieät ñaúng aùp ra moâi tröôøng.

Hieäu suaát nhieät khi coù hoài nhieät: ct

Chöùng minh töông töï nhö turbine caáp nhieät ñaúng aùp, hieäu suaát nhieät khi coù hoài

nhieät lôùn hôn khi khoâng coù hoài nhieät:

ct > t

7.4 : CHU TRÌNH LYÙ THUYEÁT ÑOÄNG CÔ PHAÛN LÖÏC.

Khi söû duïng ñoäng cô ñoát trong piston neáu taêng coâng suaát ñoäng cô thì khoái löôïng

lôùn, naëng neà, khoâng phuø hôïp vôùi ngaønh haøng khoâng. Do vaäy ñoái vôùi ñoäng cô maùy bay

toác ñoä cao thöôøng söû duïng loaïi ñoäng cô phaûn löïc vì coâng suaát lôùn nhöng khoái löôïng laïi

nhoû, toác ñoä nhanh.

Nguyeân taéc cô baûn cuûa ñoäng cô phaûn löïc ñoù laø thöïc hieän quaù trình chaùy (nhieät

naêng) chuyeån thaønh ñoäng naêng taïo phaûn löïc ñeå ñöa ñoäng cô veà phía tröôùc.

Phuï thuoäc vaøo keát caáu ñoäng cô cuõng nhö quaù trình chaùy ñoäng cô phaûn löïc ñöôïc

chia laøm nhieàu loaïi: ñoäng cô phaûn löïc tröïc löu, ñoäng cô phaûn löïc turbine maùy neùn,..

7.4.1: Chu trình ñoäng cô phaûn löïc tröïc löu.

Hình 7.13: Sô ñoà nguyeân lyù ñoäng cô phaûn löïc tröïc löu.

1 : OÁng taêng aùp.

2 : Voøi phun nhieân lieäu.

3 : Buoàng ñoát.

4 : OÁng taêng toác.

w 0w

w

0w

21 3 4




- - 87

Nguyeân lyù laøm vieäc nhö sau: Khi ñoäng cô chuyeån ñoäng veà phía tröôùc vôùi vaän toác

0, thì khoâng khí ñöôïc neùn laïi nhôø oáng taêng aùp 1, sau ñoù ñöôïc ñöa vaøo buoàng ñoát 3,

thoâng qua caùc voøi phun nhieân lieäu 2 ñeå thöïc hieän quaù trình chaùy, saûn phaåm sau khi

chaùy xong ñöôïc chuyeån sang oáng taêng toác 4 ñeå naâng cao vaän toác , tröôùc khi thoaùt ra

ngoaøi taïo moät phaûn löïc lôùn ñaåy ñoäng cô veà phía tröôùc.

Hình 7.14: Ñoà thò p.v vaø T-s ñoäng cô phaûn löïc tröïc löu

Caùc quaù trình:

1-2 : Quaù trình neùn ñoaïn nhieät.

2-3 : Quaù trình caáp nhieät ñaúng aùp.

3-4 : Quaù trình giaõn nôû ñoaïn nhieät ôû oáng taêng toác.

4-1 : Quaù trình nhaû nhieät ñaúng aùp.


Do ñoà thò cuûa chu trình gioáng vôùi ñoà thò chu trình turbine caáp nhieät ñaúng aùp neân

hieäu suaát nhieät chöùng minh töông töï ta cuõng coù:

k

kt 1

11

(7-15)

Ñoái vôùi ñoäng cô naøy ñeå coù ñöôïc vaän toác ban ñaàu 0. Ñoäng cô caàn phaûi coù moät

thieát bò khôûi ñoäng rieâng.

7.4.2 Ñoäng cô phaûn löïc turbine maùy neùn

Loaïi naøy ñöôïc söû duïng roäng raõi hôn so vôùi caùc loaïi ñoäng cô phaûn löïc khaùc, do

hieäu suaát nhieät cao hôn, ñoàng thôøi vaän toác cuõng lôùn hôn nhôø coù theâm oáng taêng toác hoãn

hôïp.

p T

dq=0

dq=0

v

1q

2q

4

3

2

1

s

1

2 3

4

q 1

q 2




- - 88

Hình 7.15: Sô ñoà nguyeân lyù ñoäng cô phaûn löïc turbine maùy neùn.

1: OÁng taêng aùp.

2: Maùy neùn.

3: Buoàng ñoát.

4: Turbine.

5: OÁng taêng toác hoãn hôïp.

A: Voøi phun nhieân lieäu.

So vôùi loaïi tröïc löu, loaïi naøy sau oáng taêng aùp, ñöôïc ñaët theâm moät maùy neùn 2 ñeå

taêng aùp suaát cuûa khoâng khí leân cao hôn nöõa. Maùy neùn laøm vieäc nhôø ñoäng löïc töø

turbine 4 trích moät phaàn coâng giaõn nôû töø saûn phaåm chaùy. Sau ñoù saûn phaåm chaùy ñöa

vaøo oáng taêng toác hoãn hôïp 5 ñeå naâng cao vaän toác taïo phaûn löïc lôùn vaø ñöa ñoäng cô veà

phía tröôùc.

Hình 7.16 : Ñoà thò p-v ñoäng cô phaûn löïc turbine maùy neùn.

12

34

5

A

3q2

3'

2'

1q 4

v

a

b

c

p1

2




- - 89


1-2’: quaù trình neùn ñoaïn nhieät ôû oáng taêng aùp 1.

2’-2: quaù trình neùn ñoaïn nhieät tieáp theo ôû maùy neùn 2

2-3 : quaù trình caáp nhieät ñaúng aùp trong buoàng ñoát.

3-3’: quaù trình giaõn nôû ñoaïn nhieät moät phaàn treân turbine 4.

3’-4: quaù trình giaõn nôû ñoaïn nhieät hoaøn toaøn ôû oáng taêng toác 5.

4-1: quaù trình nhaû nhieät ñaúng aùp ra moâi tröôøng.


Phöông phaùp tính hieäu suaát nhieät khoâng khaùc gì so vôùi ñoäng cô turbine caáp

nhieät ñaúng aùp.

k

kt 1

11

(7-16)

So vôùi loaïi tröïc löu bieåu thöùc xaùc ñònh t khoâng khaùc, nhöng chu trình naøy tæ so á

taêng aùp cao hôn. Do vaäy hieäu suaát nhieät cuõng cao hôn.

7.4.3: Chu trình teân löûa.

Ñieåm ñaëc bieät cuûa chu trình naøy laø söû duïng oxy loûng ñöôïc mang theo, khoâng

duøng khoâng khí trong khí quyeån. Do vaäy teân löûa coù theå söû duïng trong caû khoâng gian

ngoaøi phaïm vi khí quyeån.

Hình 7.17: Sô ñoà ñoäng cô teân löûa.

1: Nhieân lieäu loûng

2: Oxy loûng

3: Bôm.

4: Buoàng ñoát.

5: Oáng taêng toác.

54

3

2

1




- - 90

Hình 7.18: Ñoà thò p-v ñoäng cô teân löûa

Nguyeân lyù hoaït ñoäng nhö sau: Nhieân lieäu vaø oxy loûng ñöa vaøo buoàng ñoát 4

thoâng qua caùc bôm 3. Taïi ñaây noù thöïc hieän quaù trình chaùy ñaúng aùp, saûn phaåm chaùy

ñöôïc ñöa tieáp vaøo oáng taêng toác 5 ñeå taêng toác ñoàng thôøi thöïc hieän quaù trình giaõn nôû

ñoaïn nhieät taïo aùp löïc lôùn ñeå ñaåy ñoäng cô veà phía tröôùc.


1 - 2: quaù trình neùn oxy loûng

2 - 3: quaù trình chaùy ñaúng aùp trong buoàng ñoát.

3 - 4: quaù trình giaõn nôû ñoaïn nhieät trong oáng taêng toác.

4 - 1: quaù trình nhaû nhieät ra moâi tröôøng.


Ta coù:

1q

lt (e)

Ñoái vôùi quaù trình neùn 1 – 2, vì laø neùn chaát loûng neân ta coi : v2 v1.

Vaäy coâng neùn:

ln = i2 – i1 (q = i + lkt = 0 : xem laø ñoaïn nhieät)

Hay: ln = - 2

1

vdp = v1 (p2 – p1)

Coâng giaõn nôû (3-4):

lgn = i3 – i4

Vaäy coâng cuûa chu trình seõ laø:

l = lgn – ln

l = (i3 – i4) – v1(p2 – p1)

'

'

2 2 3

41 1

1q

2 q

v

p




- - 91

Nhieät nhaän q1 seõ laø:

q1 = cp (T3 – T2) = i3 – i2

hay:

q1 = (i3 – i1) – (i2 – i1) = (i3 – i1) – v1(p2 – p1)

(e) 12113

12143

ppvii

ppviit

Trong quaù trình 1 – 2 vì coâng tieâu hao raát nhoû coù theå boû qua.

13

43

ii

iit

(7-17)

Hay coù theå xaùc ñònh hieäu suaát nhieät nhö sau:

Töø ñònh luaät nhieät ñoäng 1 cho doøng chaûy:

dq = di + d2

2

(f)

vaø dq = di – vdp (g)

Xeùt quaù trình 3-4 laø quaù trình giaõn nôû ñoaïn nhieät bieán hoaøn toaøn thaønh ñoäng

naêng ñeå sinh coâng.

Töø (f) vaø (g):

2

23

24

l = i3 – i4

q1 = cp( T3 - T2 )

1

23

24

.2 qt

Khi: 3 << 4

23

24

1

24

.2.2 TTcq p

t

(7-18)

7.5: CHU TRÌNH THIEÁT BÒ ÑOÄNG LÖÏC HÔI NÖÔÙC .

7.5.1: Chu trình carnot cuûa khí thöïc. ( hôi nöôùc)

Töø ñònh luaät nhieät ñoäng thöù hai ta bieát trong phaïm vi nhieät ñoä giöõa hai nguoàn

noùng vaø laïnh nhö nhau, thì chu trình carnot coù hieäu suaát nhieät laø lôùn nhaát.

Ñoái vôùi chaát khí vaø hôi quaù nhieät ta khoù thöïc hieän ñöôïc chu trình carnot vì khoù

loøng thöïc hieän hai quaù trình caáp nhieät ñaúng nhieät vaø thaûi ñaúng nhieät, nhöng trong

phaïm vi hôi nöôùc baõo hoaø thì coù theå thöïc hieän ñöôïc.




- - 92

Hình 7.19: Ñoà thò p-v vaø T-s chu trình carnot hôi nöôùc.


4-1: Quaù trình hoaù hôi ñaúng aùp, cuõng laø quaù trình ñaúng nhieät (T1= const),

quaù trình naøy bieán nöôùc soâi thaønh hôi baõo hoaø khoâ ( quaù trình naøy ñöôïc thöïc hieän bôûi

loø hôi).

1-2: Quaù trình giaõn nôû ñoaïn nhieät ôû turbine.

2-3: Quaù trình ngöng hôi ñaúng aùp cuõng laø ñaúng nhieät, ñöôïc thöïc hieän

trong bình ngöng.

3-4: Quaù trình neùn ñoaïn nhieät ôû maùy neùn.

Hieäu suaát nhieät vaãn aùp duïng coâng thöùc:

1

21T

Tt (7-19)

Tuy vaäy chu trình carnot hôi nöôùc khoâng ñöôïc aùp duïng vì coù moät soá haïn cheá

sau: Do quaù trình ngöng 2-3 khoâng hoaøn toaøn (coøn hôi) neân maùy neùn coù kích thöôùc

lôùn. ( coâng tieâu hao lôùn). Nhieät ñoä 2 nguoàn noùng vaø laïnh bò khoáng cheá (tk = 374 0C),

neân hieäu suaát nhieät laøm vieäc trong vuøng naøy khoâng cao.

Ñeå naâng cao hieäu suaát nhieät, baèng caùch taêng T1 thì coâng cuûa chu trình seõ giaûm

xuoáng : l = dt (1’ 2’ 3’ 4’).

7.5.2: Chu trình Rankine .

Ñeå khaéc phuïc moät soá nhöôïc ñieåm cuûa chu trình carnot ôû treân ngöôøi ta thay ñoåi

moät soá quaù trình trong chu trình nhö sau:

Quaù trình ngöng hôi ñöôïc keùo daøi ñeå hoaù loûng hoaøn toaøn, sau ñoù ñöôïc bôm

nöôùc neùn ñoaïn nhieät töø aùp thaáp p2 ñeán aùp cao p1 ñöa vaøo loø ( hoaøn toaøn laø nöôùc neân

bôm coù kích thöôùc nhoû, coâng tieâu hao giaûm)

2T

T1

x = 1x = 0x = 1x = 0

q 1

2q

p

2 2'3'3

4 1

1'4'

2 3

14

T

k

v s

k




- - 93

a/ Sô ñoà vaø ñoà thò:

Hình 7.20: Sô ñoà nguyeân lyù chu trình Rankine

a: Bôm nöôùc caáp.

b: Loø hôi.

c: Boä quaù nhieät.

d: Turbine hôi.

e: Bình ngöng.

Hình 7.21: Ñoà thò p-v vaø T-s chu trình Rankine

Caùc quaù trình goàm:

1-2 : quaù trình giaõn nôû ñoaïn nhieät sinh coâng trong turbine.

2-2’: quaù trình ngöng hôi ñaúng aùp nhaû nhieät cho nguoàn laïnh (ôû bình

ngöng).

2’-3: quaù trình neùn nöôùc ñoaïn nhieät do bôm nöôùc caáp.

e

d

a

b

c

2

1 5

k

4

1 q

2 q

3

2' x = 0 x = 1

T

s

1

2 x = 1

x = 0 2' 2

1 5

k

4 3

p

p

p

v




- - 94

3-4-5: quaù trình caáp nhieät ñaúng aùp töø nöôùc chöa soâi ñeán nöôùc soâi vaø ñaït

ñeán hôi baõo hoaø khoâ. ( trong loø hôi)

5-1: quaù trình caáp nhieät ñaúng aùp tieáp theo ôû boä quaù nhieät.

b/ Hieäu suaát nhieät cuûa chu trình:

1

21

q

qqt

(a)

Coâng cuûa bôm a raát nhoû coù theå boû qua do ñoù ta xem traïng thaùi 3 truøng vôùi 2’.

q1 = i1 - i3

q2 = i2 - i2’ = i2 - i3

(a)

31

3231

ii

iiiit

Vaäy: 31

21

ii

iit

(7-20)

7.5.3: Caùc bieän phaùp naâng cao hieäu suaát nhieät cuûa chu trình khí thöïc.

Hieäu suaát cuûa chu trình phuï thuoäc raát lôùn ñeán caùc thoâng soá hôi vaøo vaø ra khoûi

turbine,ñeå naâng cao hieäu suaát nhieät ta thöôøng ñieàu chænh nhöõng thoâng soá naøy.

a/ Aûnh höôûng cuûa aùp suaát hôi vaøo turbine: (p1)

Trong tröôøng hôïp naøy neáu ta taêng aùp suaát hôi vaøo turbine p1, trong khi vaãn giöõ

nguyeân nhieät ñoä t1 vaø aùp suaát ra khoûi turbine p2. Ñieàu naøy theå hieän treân ñoà thò T-s vaø

i-s nhö sau:

Hình 7.22: Ñoà thò T-s vaø i-s khi thay ñoåi aùp suaát p1

Döïa vaøo hình 7.22, ta thaáy raèng khi taêng aùp suaát p1 (t1, p2 khoâng ñoåi) thì ñoä

bieán thieân enthanpy cuõng seõ taêng leân laøm cho hieäu suaát nhieät taêng.

Tuy nhieân ta cuõng thaáy raèng khi p1 taêng thì hôi ra khoûi turbine, taïi traïng thaùi 2’

ñoä aåm cuõng taêng, do nhöõng haït nöôùc trong hôi nhieàu seõ phaù hoûng caùnh ñoäng cuûa

turbine khi va ñaäp.

1t

p1'

1p

p222'

'1 1

x = 1x = 0

'

p2

p1

1p

' 22

11't1i

k

s s

T




- - 95

b/ AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä vaøo turbine .(t1)

Khi giöõ nguyeân p1, p2 ta taêng t1,ñieàu naøy ñöôïc theå hieän treân ñoà thò i-s nhö sau:

Hình 7.23: Ñoà thò i-s khi taêng t1

Khi ta taêng t1 vaãn giöõ nguyeân p1 vaø p2, döïa vaøo ñoà thò i-s ta thaáy raèng ñoä bieán

thieân enthanpy seõ taêng leân laømø cho hieäu suaát nhieät taêng.

Maët khaùc khi taêng t1 cuoái quaù trình giaõn nôû trong turbine, taïi traïng thaùi 2’ ñoä

khoâ cuõng taêng leân, ñieàu naøy seõ giaûm bôùt söï xaâm thöïc cô hoïc treân caùnh ñoäng turbine.

Ñeå hieäu suaát nhieät taêng cao, ñoàng thôøi ta taêng caû p1 vaø t1.

Tuy vaäy nhieät ñoä t1 cuõng khoâng taêng quaù cao seõ aûnh höôûng ñeán söùc beàn cuûa

turbine. ( thoâng thöôøng: p1max = 300 bar, t1max = 650 0C)

c/ Aûnh höôûng cuûa aùp suaát hôi ra khoûi turbine .(p2 )

Trong tröôøng hôïp naøy ta giöõ nguyeân p1 vaø t1, giaûm aùp suaát ra khoûi turbine p2.

Quaù trình giaõn nôû trong turbine ñöôïc bieåu thò treân ñoà thò i-s nhö sau:

Hình 7.24: Ñoà thò i-s khi giaûm p2

k

'1

1

't1

2'

1

2p

s

1t

i

2

p

1

k

t1

'p2

p 2

2

'2

1p

s

i




- - 96

Töø 7.24 ta thaáy raèng khi giöõ nguyeân p1, t1 giaûm p2 thì ñoä bieán thieân enthanpy seõ

taêng leân, laøm cho hieäu suaát nhieät cuûa chu trình taêng leân.

Tuy vaäy vieäc giaûm p2 coøn phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä moâi tröôøng, ñoàng thôøi khi p2

giaûm thì theå tích rieâng cuûa hôi ôû caùc taàng cuoái cuûa turbine seõ taêng leân, keát caáu turbine

ôû taàng cuoái cuõng phaûi lôùn daãn ñeán turbine seõ naëng neà vaø coàng keành.

7.5.4: Chu trình quaù nhieät trung gian.

Ta ñaõ bieát khi taêng t1 thì ñoä khoâ x2 vaø hieäu suaát nhieät cuûa chu trình seõ taêng leân.

Tuy vaäy t1 khoâng ñöôïc vöôït quaù giôùi haïn cho pheùp, ñeå ñoä khoâ vaø caû hieäu suaát nhieät

ñeàu taêng maø khoâng taêng t1 quaù möùc, ta söû duïng chu trình quaù nhieät trung gian.

Hình 7.25: Sô ñoà chu trình quaù nhieät trung gian

a: Loø hôi

b: Boä quaù nhieät

c: Turbine

d: Bình ngöng

e: Bôm

e

d

c

b

a




- - 97

Hình 7.26: Ñoà thò T-s chu trình quaù nhieät trung gian

Hôi töø loø hôi a sau khi qua boä quaù nhieät b coù thoâng soá trang thaùi : t1, p1 ñöôïc

ñöa vaøo giaõn nôû trong nhöõng taàng ñaàu cuûa turbine, öùng vôùi quaù trình 1-2’. Keá ñoù hôi

ñöïôc ñöa vaøo boä quaù nhieät trung gian ñeå thöïc hieän quaù trình caáp nhieät 2’-1’, sau ñoù

cho giaõn nôû treân caùc taàng coøn laïi cuûa turbine cho ñeán aùp suaát ngöng p2.

Coâng sinh ra cuûa chu trình luùc naøy seõ laø:

l = ( i1 – i2’) + ( i1’ – i2)

Nhieät caáp cho chu trình:

q1 = ( i1 – i3 + ( i1’ – i2’)

Vaäy hieäu suaát nhieät cuûa chu trình:

'2'131

2'1'21

1 )( iiii

iiii

q

lt

(7-21)

Neáu goïi d laø suaát tieâu hao hôi thì:

d = 2'1'21 )(

11

iiiil (7-22)

7.5.5: Chu trình hoài nhieät.

Nguyeân taéc cô baûn cuûa chu trình hoài nhieät, laø thay vì nhieät thaûi ra moâi tröôøng

ngöôøi ta taän duïng nhieät naøy ñeå nung noùng nöôùc tröôùc khi cho vaøo loø hôi laøm cho hieäu

suaát nhieät cuûa chu trình seõ taêng leân.

Trong thöïc teá ngöôøi ta laàn löôït trích töøng phaàn hôi nöôùc ôû caùc taàng cuûa turbine

ñeå caáp nhieät cho nöôùc tröôùc khi bôm vaøo loø hôi.

Ta coù sô ñoà nguyeân lyù cuûa chu trình hoài nhieät coù 2 cöûa trích nhö sau:

1

1 t 5

3

4

1

2

T

s

1'

3'2'

p




- - 98

Hình 7-27: Sô ñoà chu trình hoài nhieät coù hai cöûa trích hôi.

a: Loø hôi


c: Turbine

d: Bình ngöng

e: Bôm nöôùc caáp

f: Boä gia nhieät

g: Bôm nöôùc ngöng.

Hình 7-28: Ñoà thò T-s vaø i-s cuûa chu trình hoài nhieät coù 2 cöûa trích.

p1

t1i1

g1

p2

t2i2

g2

1- g1 - g23

3'

2b'

3'' 2a'

3'''

4 5

2

2b

1-g1

2a

1kg

1T

s s

p''

p'

1

2a

2b

s 2

i’’

i’

i

4

f

21

2

1-g -g

1 gg

c

1 kg

b

5

a

3'''

2a' g

3''

2b'

3'

e

3

d

22b2a

1




- - 99

Töø sô ñoà ta thaáy turbine coù hai cöûa trích hôi ñeå gia nhieät cho nöôùc caáp.

Giaû söû ta coù 1 kg nöôùc töø traïng thaùi 3’’’ ñöôïc ñöa vaøo loø hôi ñeå caáp nhieät öùng

vôùi quaù trình 3’’’.4.5, sau ñoù ñöa vaøo boä quaù nhieät b ñeå bieán thaønh hôi quaù nhieät öùng

vôùi traïng thaùi 1 (t1, p1). Hôi naøy cho giaûn nôû trong caùc taàng cao aùp cuûa turbine quaù

trình 1-2a, cuoái taàng cao aùp ngöôøi ta trích moät löôïng hôi g1 kg ñeå gia nhieät cho nöôùc.

Löôïng hôi coøn laïi (1-g1) kg coù enthanpy i’ tieáp tuïc cho giaõn nôû trong caùc taàng

trung aùp cuûa turbine, quaù trình 2a-2b. Cuoái taàng trung aùp turbine cuõng ñöôïc trích g2 kg

hôi ñeå gia nhieät cho nöôùc.

Löôïng hôi coøn laïi (1 – g1 – g2) kg coù enthanpy i’’ tieáp tuïc cho giaõn nôû treân taàng haï

aùp cuûa turbine, quaù trình 2b-2 vaø sau ñoù ñöa vaøo bình ngöng d öùng vôùi quaù trình 2-3.


1q

lt

Ta coù coâng sinh ra cuûa turbine ôû caùc taàng seõ laø:

Taàng cao aùp:

lca = i1 – i’

ltra = (1 – g1) (i’- i’’)

ltha = (1 – g1 – g2) (i’’ – i2)

Vaäy coâng cuûa chu trình :

l = (i1 – i’) + (1 – g1) (i’- i’’) + (1 – g1 – g2) (i’’ – i2) (a)

Ñaët: g = 1 – g1 – g2

g2 = 1 – g1 – g

(a) l = i1 – i’ + i’- i’’- g1.i’ + g1.i’’ + g.i’’ – g.i2

l = i1 - i’’(1 – g1 – g ) - g1.i’ – g.i2

l = i1 – i’’.g2 - g1.i’ – g.i2

Nhieät cung caáp cho thieát bò tính gaàn ñuùng, khi coâng cuûa bôm nöôùc nhoû coù theå

boû qua.

q1 = i1 – i2a’

Vaäy hieäu suaát nhieät cuûa chu trình seõ laø:

'a21

2121t

ii

g.ig'ig'.'ii

(7-23)

Öu ñieåm:

- Hieäu suaát nhieät ñöïôc naâng cao.

- Kích thöôùc turbine vaø bình ngöng giaûm

- Loø hôi nhoû vaø goïn.




- - 100

7.5.6: Chu trình gheùp.

Do nhieät ñoä tôùi haïn cuûa nöôùc thaáp ( tk = 374 oC), neân tmax cuûa chu trình bò giôùi

haïn, daãn ñeán hieäu suaát nhieät cuûa chu trình cuõng giôùi haïn.

Ñeå naâng cao hieäu suaát nhieät trong tröôøng hôïp naøy ta söû duïng chu trình gheùp, vaø

nhôø ñeán hai moâi chaát coù nhieät ñoä tôùi haïn cheânh leäch nhau khaù lôùn. ÔÛ ñaây ta söû duïng

thuyû ngaân (Hg) vaø nöôùc (H2O), ñoái vôùi thuûy ngaân nhieät ñoä tôùi haïn ôû 1480 oC.

Sô ñoà nguyeân lyù vaø ñoà thò chu trình ñöôïc bieåu dieãn nhö sau:

Hình 7.29: Sô ñoà chu trình gheùp. Hg – H2O

a: Loø hôi

b: Turbine hôi Hg

c: Boä trao ñoåi nhieät Hg – H2O

d: Bôm Hg

e: Boä quaù nhieät cuûa H2O

f: Turbine hôi H2O

g: Bình ngöng cuûa H2O

h: Bôm nöôùc caáp.

2

3' h3

g

2

fH O

bHg8

7

a

6' 6d

c

9

5

e

1




- - 101

Hình 7.30: Ñoà thò T-s cuûa chu trình gheùp: Hg – H2O

Nguyeân lyù laøm vieäc nhö sau:

Hôi Hg töø loø hôi a ñöïôc ñöa vaøo giaõn nôû trong turbine b (quaù trình 8-9), sau ñoù

qua boä trao ñoåi nhieät c ñeå nhaû nhieät cho nöôùc (quaù trình 9-6), Hg hoùa loûng roài ñöôïc

bôm d ñöa vaøo loø hôi (6-7-8).

Ñoái vôùi chu trình H2O. Nöôùc seõ nhaän nhieät cuûa Hg nhaû ra ôû boä trao ñoåi nhieät c

(öùng vôùi quaù trình 3-4-5), keá ñoù hôi nöôùc ñöôïc ñöa vaøo boä quaù nhieät e ñeå bieán thaønh

hôi quaù nhieät (quaù trình 5-1). Sau ñoù cho giaûn nôû treân turbine f ñeå sinh coâng (quaù trình

1-2), vaø ngöng tuï, roài trôû veà bôm h.

Trong thöïc teá Hg laøm vieäc ôû aùp suaát vaø nhieät ñoä nhö sau:

p = (10 15) bar ; ts = (517 557) oC

png = (0,04 0,14) bar ; ts = (227 247) oC

Ñoái vôùi nöôùc:

p = (25 30) bar ; ts = (217 237) oC

Do aån nhieät cuûa Hg vaø H2O khaùc nhau, neân neáu ta caàn ñeå 1 kg hôi nöôùc ñaït ñeán

traïng thaùi baõo hoøa, thì phaûi duøng ñeán khoaûng 8,95 kg Hg.

TT

n

ii

iim

67

3''5

, (kg Hg/kg H2O)

ÔÛ ñaây m:khoái löôïng Hg caàn thieát ñeå bieán 1 kg hôi nöôùc ñaït ñeán traïng thaùi hôi baõo hoøa

Thöïc teá: m 9

Hieäu suaát cuûa chu trình gheùp seõ laø:

nnTT

nnTT

tiiiim

iiiim

Q

L

5168

2198

1

(7-24)

Hieäu suaát cuûa chu trình naøy thöôøng ñaït: t 66 %

Hg

2H O

1

23

3'

4 5

9

8 7

6'

6

T

s

t = 10 C0




- - 102

7.5.7: Chu trình caáp nhieät – caáp ñieän.

Caùc chu trình ñoäng löïc hôi nöôùc tröôùc ñaây, quaù trình nhaû nhieät q2 ôû bình ngöng

ñöôïc thaûi boû ra moâi tröôøng. Ñeå naâng cao hieäu quaû kinh teá veà maëc söû duïng nhieät cuûa

chu trình, quaù trình nhaû nhieät q2 ñöôïc caáp cho caùc hoä duøng nhieät, ñeå tieän cho vieäc söû

duïng nhieät thaûi aùp suaát cuoái cuûa turbine loaïi naøy thöôøng ôû trong khoaûng ( 2 5) bar.

Chu trình nhö vaäy ñöôïc goïi laø chu trình caáp nhieät caáp ñieän.

Hình 7.31: Sô ñoà nguyeân lyù caáp nhieät – caáp ñieän

a: Loø hôi


c: Turbine

d: Maùy phaùt ñieän

e: Hoä duøng nhieät

f: Bôm nöôùc caáp

Hình 7.32: Ñoà thò T-s chu trình caáp nhieät – caáp ñieän

c

a

b

d

e

f

T

ss1

2

1

4

3

5

s2

q1

q2

l




- - 103

Ñeå ñaùnh giaù hieäu quaû kinh teá cuûa chu trình, ta ñöa ra heä soá söû duïng nhieät k.

1

2

q

qlk

(7-25)

Trong ñoù:

l : Coâng cuûa chu trình

q1: Nhieät caáp cho chu trình.

q2: Nhieät caáp cho hoä tieâu thuï.




- - 104

CHÖÔNG 8

CHU TRÌNH NGÖÔÏC CHIEÀU

8.1: ÑÒNH NGHÓA VAØ PHAÂN LOAÏI.

8.1.1: Ñònh nghóa .

Nhö ñaõ trình baøy tröôùc ñaây chu trình ngöôïc chieàu laø chu trình bao goàm caùc quaù

trình coù chieàu tieán haønh ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà.Chaát moâi giôùi laáy nhieät cuûa vaät hay

moâi tröôøng laøm cho nhieät ñoä cuûa noù giaûm xuoáng thaáp hôn nhieät ñoä moâi tröôøng xung

quanh, thieát bò thöïc hieän chu trình nhö vaäy ñöôïc goïi laø chu trình thieát bò laøm laïnh.

Ñaùnh giaù hieäu quaû laøm vieäc cuûa chu trình ñöôïc ñaëc tröng bôõi , goïi laø heä soá

laøm laïnh.

= l

q 2 = KTl

q 2 (8-1)

Trong ñoù: KTll , : Toång coâng thay ñoåi theå tích vaø toång coâng kyõ thuaät

hay : = t

1 - 1

Ta coù theå söû duïng chu trình ngöôïc chieàu ñeå caáp nhieät cho nguoàn coù nhieät ñoä

cao, ñöôïc goïi laø bôm nhieät.Ñeå ñaùnh giaù hieäu quaû chuyeån hoùa naêng löôïng cuûa bôm ta

goïi laø heä soá bôm nhieät.

= l

q1 =KTl

q1 (8-2)

hay = + 1

8.1.2: Phaân loïai .

Coù nhieàu caùch ñeå phaân loïai chu trình ngöôïc chieàu:

a/ Döïa vaøo muïc ñích söû duïng: ta coù chu trình maùy laïnh vaø chu trình bôm nhieät.

b/ Döïa vaøo tính chaát cuûa chaát moâi giôùi: ta coù chu trình khí lyù töôûng (khoâng khí),

chu trình khí thöïc(hôi) nhö : NH3, caùc loïai Freâon, hôi nöôùc …

c/ Döïa vaøo caùch taïo aùp moâi chaát: coù chu trình maùy neùn, chu trình duøng

ejecteur, chu trình duøng nhieät (haáp thuï),ngoøai ra ta coøn phaân loïai theo möùc ñoä laïnh:

thöôøng, trung bình vaø chu trình coù ñoä laïnh saâu.




- - 105

8.2: CHU TRÌNH MAÙY LAÏNH VAØ BÔM NHIEÄT DUØNG KHOÂNG KHÍ.

a/ Sô ñoà nguyeân lyù:

Hình 8.1: Sô ñoà nguyeân lyù chu trình maùy laïnh vaø bôm nhieät duøng khoâng khí.

I : maùy neùn.

II : boä giaûi nhieät (bình laøm maùt)

III : turbine hoaëc xy lanh giaõn nôû.

IV : buoàng laïnh.

Nguyeân lyù laøm vieäc nhö sau: khoâng khí ñöôïc maùy neùn I thöïc hieän quaù trình neùn

ñoïan nhieät laøm cho aùp suaát vaø nhieät ñoä taêng cao sau khi ra khoûi maùy neùn, keá ñoù

khoâng khí vaøo boä giaûi nhieät II ñeå nhaû nhieät cho nguoàn noùng trong ñieàu kieän aùp suaát

khoâng ñoåi, do vaäy sau khi ra khoûi II nhieät ñoä giaûm nhöng aùp suaát khoâng ñoåi, vôùi thoâng

soá naøy khoâng khí cho giaõn nôû ñoïan nhieät trong tubine III, cuoái quaù trình giaõn nôû, nhieät

ñoä vaø aùp suaát giaûm xuoáng, luùc naøy nhieät ñoä cuûa khoâng khí raát thaáp, tieáp tuïc cho vaøo

buoàng laïnh IV ñeå nhaän nhieät cuûa moâi tröôøng caàn laøm laïnh (ñaúng aùp) vaø sau ñoù noù trôû

veà traïng thaùi ban ñaàu.

b/ Ñoà thò:

Hình 8.2: Ñoà thò p.v vaø T.s

4

3

2

1

q1

q2

T

s

q2

p

v

q13

4 1

2

2

14

3

IV

I

II

III




- - 106

1-2: Quaù trình neùn ñoïan nhieät.

2-3: Quaù nhaû nhieät ñaúng aùp.

3-4: Quaù trình giaõn nôû ñoïan nhieät.

4-1: Quaù trình nhaän nhieät ñaúng aùp.

c/ Heä soá laøm laïnh:

ÔÛ ñaây: l = lKT = 1q - q2

21

2

qq

q

(a)

maø q1= cp(T2-T3)

q2= cp(T1-T4)

(a)

4132

41

TTTT

TT

hay 1

1

41

32

TT

TT (b)

Trong ñoù:

1-2: laø quaù trình neùn ñoaïn nhieät.

k

k

P

P

T

T1

1

2

1

2

(c)

3-4: laø quaù trình giaõn nôû ñoaïn nhieät.

k

k

P

P

T

T1

4

3

4

3

(d)

maø P3=P2

P1=P4

Töø (c) vaø (d):

41

32

4

3

1

2

TT

TT

T

T

T

T

(e)

Laàn löôït thay (e) vaøo (b) ta ñöôïc:ù

12

1

1

2 1

1

TT

T

T

T

hay 43

4

4

3 1

1

TT

T

T

T

(8-3)

Nhieät nhaän q2 = q0: Naêng suaát laïnh öùng vôùi 1kg chaát moâi giôùi:




- - 107

Q0 = G.q0

Trong ñoù: Q0: naêng suaát maùy laïnh, (kW)

G : löu löôïng khoái löôïng, (kg/s)

Coâng suaát lyù thuyeát cuûa chu trình:

Nlt = G.lct

Nlt: coâng suaát lyù thuyeát cuûa chu trình, (kW)

lct: coâng chu trình, (kJ/kg)

Töông töï heä soá bôm nhieät chu trình:

42

2

TT

T

43

3

TT

T

(8-4)

- Öu ñieåm: Khoâng khí laø moâi chaát coù saün, reû tieàn, khoâng ñoäc haïi.

- Nhöôïc ñieåm: Heä soá trao ñoåi nhieät thaáp, daãn ñeán vaø nhoû. Ñöôïc duøng laøm

maùt trong ngaønh haøng khoâng (vì coù saün maùy neùn vaø turrbine).

8.3: CHU TRÌNH MAÙY LAÏNH DUØNG HÔI.

Chu trình naøy ñöôïc chia laøm caùc loaïi sau:

- Chu trình thieát bò laïnh coù maùy neùn.

- Chu trình thieát bò laïnh kieåu ejecteur.

- Chu trình thieát bò laïnh kieåu haáp thuï.

8.3.1: Chu trình thieát bò laïnh coù maùy neùn.

Loïai naøy ñöôïc söû duïng roäng raõi nhaát hieän nay. Moâi chaát söû duïng cho loïai naøy

coù nhieät ñoä raát thaáp ôû ñieàu kieän aùp suaát khí trôøi, nhö NH3 vaø caùc loïai Freon (R12, R13,

R22, R134A…) hoaëc CO2.

ÔÛ cuøng ñieàu kieän aùp suaát khí trôøi 1bar thì:

R12 coù ts=-300C

R22 ts=-400C

NH3 ts=-340C

CO2 ts=-780C

Ngoaøi ra trong quaù trình giaõn nôû loaïi naøy ñöôïc thay baèng quaù trình tieát löu laøm

cho thieát bò goïn nheï hôn. Tuy nhieân quaù trình tieát löu seõ laøm taêng moät löôïng nhaát ñònh

veà entropy, daãn ñeán naêng suaát laïnh seõ toån thaát moät phaàn töông öùng.




- - 108

a/ Sô ñoà cuûa chu trình:

Hình 8.3: Sô ñoà nguyeân lyù chu trình thieát bò laïnh maùy neùn

I : maùy neùn.

II : boä giaûi nhieät (bình laøm maùt)

III : van tieát löu.

IV : buoàng laïnh.

b/ Ñoà thò:

Hình 8.4: Ñoà thò T.s vaø lgp - i

Trong ñoù:

1-2: quaù trình neùn ñoïan nhieät ôû maùy neùn.

2-3: quaù trình nhaû nhieät ñaúng aùp ôû bình laøm maùt II

3-4: quaù trình tieát löu ñaúng enthanpy ôû van tieát löu III

4-1: quaù trình nhaän nhieät ñaúng aùp trong buoàng laïnh IV

c/ Heä soá laøm laïnh:

Ta coù: q1 = i2-i3

q2 = i1-i4

maø l = lKT= 1q - q2 = ( i2 -i3) - (i1-i4)

i2

i1i3 = i4

1

23

4

lgp

i

q2

s4s3s4’

4'

0 41

2

3

s

T

I

IV

III

23

II

14

q1




- - 109

Vì 3-4, laø quaù trình tieát löu:

i3 = i4

l = i2 – i1

=12

412

ii

ii

l

q

(8-5)

Töông töï ta cuõng suy ra heä soá bôm nhieät seõ laø:

12

321

ii

ii

l

q

(8-6)

8.3.2: Chu trình maùy laïnh ejecteur.

Ñieåm ñaëc bieät cuûa chu trình naøy laø maùy neùn ñöôïc thay baèng ejecteur, chaát moâi

giôùi laø hôi nöôùc, naêng löôïng hoã trôï laø nhieät naêng, nhieät ñoäâ laøm laïnh töø (310)0C.

Sô ñoà vaø ñoà thò chu trình ñöôïc bieåu dieãn nhö sau:

Hình 8.5: Sô ñoà chu trình maùy laïnh ejecteur.

a: loø hôi.

b: Ejecteur

c: bình ngöng

d: bôm

e: van tieát löu

f: buoàng laïnh

3' D

A

2 3

f

a

C

bc

4d

1

e




- - 110

Hình 8.6: Ñoà thò T.s cuûa chu trình

Caùc quaù trình goàm:

1-2: Quaù trình tieát löu moät phaàn nöôùc töø bình ngöng c ñeå ñöa vaøo buoàng

laïnh f.

2-3: Quaù trình nhaän nhieät ñaúng aùp trong buoàng laïnh

3’-4: Quaù trình neùn hôi hoãn hôïp hôi trong oáng taêng aùp cuûa ejecteur.

4-1: Quaù trình nhaû nhieät ñaúng aùp ôû bình ngöng.

1-A: Quaù trình bôm moät phaàn nöôùc vaøo loø hôi a.

A-B-C: Quaù trình caáp nhieät ôû loø hôi.

C-D: Quaù trình giaûn nôû ñoïan nhieät töø loø hôi qua oáng phun ejecteur.


Nöôùc töø bình ngöng c ñöôïc chia laøm 2 nhaùnh, soá ít qua bôm d ñöa veà loø hôi a,

phaàn lôùn qua van tieát löu e, luùc naøy nhieät ñoä moâi chaát khaù thaáp ñöôïc ñöa vaøo buoàng

laïnh f ñeå thöïc hieän quaù trình nhaän nhieät töø moâi tröôøng caàn laøm laïnh, sau khi ra khoûi

buoàng laïnh ñoä khoâ cuûa hôi ñaït ñeán traïng thaùi hôi baûo hoøa.Hôi baûo hoøa khoâ ra khoûi

buoàng laïnh (traïng thaùi 3) ñöôïc hoøa troän vôùi hôi töø loø hôi qua giaõn nôû ñoïan nhieät ôû

ejecteur (traïng thaùi D) trôû thaønh traïng thaùi 3’. Luùc naøy hoãn hôïp hôi ñöôïc oáng taêng aùp

cuûa ejecteur thöïc hieän quaù trình neùn ñoïan nhieät ñeán traïng thaùi 4. Sau ñoù ñöôïc ñöa vaøo

bình ngöng c ñeå thöïc hieän quaù trình nhaû nhieät ñaúng aùp 4-1 vaø trôû veà traïng thaùi ban

ñaàu.

Ñoái vôùi chu trình naøy neáu ta coi coâng caáp cho bôm nhoû boû qua ñöôïc (traïng thaùi

A truøng vôùi 1). Ñoàng thôøi naêng löôïng caáp cho chu trình ôû daïng nhieät naêng. Do vaäy ñeå

ñaùnh giaù hieäu quaû cuûa chu trình ta duøng heä soá söû duïng nhieät .

=1

2

q

q (a)

q2: Nhieät nhaän ôû buoàng laïnh f (quaù trình 2-3).

q1: Nhieät caáp cho loø hôi (quaù trình A-B-C).

2 D 3' 3

4

C B A

1

T

s 2




- - 111

Töø (a) =)(

23

AC iig

ii

(8-7)

Trong ñoù: g laø tæ soá giöõa löôïng nöôùc qua bôm so vôùi qua van tieát löu.

8.3.3: Chu trình maùy laïnh haáp thuï.

Ñoái vôùi loaïi naøy naêng löôïng caáp cho chu trình cuõng ôû daïng nhieät naêng. Moâi

chaát söû duïng laø dung dòch goàm 2 thaønh phaàn coù nhieät ñoä soâi khaùc nhau ôû cuøng ñieàu

kieän aùp suaát, trong ñoù thaønh phaàn thöù nhaát coù vai troø cuûa taùc nhaân laøm laïnh, thaønh

phaàn coøn laïi laø chaát haáp thuï.

Nhöõng dung dòch thöôøng ñöôïc söû duïng nhö: NH3 – H2O, H2O – LiBr, …

ÔÛ ñaây ta seõ ñeà caäp ñeán maùy laïnh haáp thuï: NH3 – H2O.

Hình 8.7: Sô ñoà nguyeân lyù chu trình maùy laïnh haáp thuï NH3 – H2O

Trong ñoù: a: Bình phaùt sinh (nhieät ñöôïc caáp töø beân ngoaøi)

b: Bình ngöng

c: Van tieát löu

d: Buoàng laïnh

e: Bình haáp thuï

f: Bôm

g: Van

Ñoái vôùi chu trình naøy NH3 laø taùc nhaân laïnh, coøn H2O laø chaát haáp thuï.


Bình phaùt sinh a chöùa dung dòch no NH3 – H2O, khi caáp nhieät vaøo, do nhieät ñoä

soâi cuûa NH3 nhoû hôn neân noù boác hôi vaø ñi vaøo bình ngöng b, ôû ñaây noù seõ thöïc hieän

quaù trình nhaû nhieät hoùa loûng, tieáp theo NH3 loûng qua van tieát löu c vaøo buoàng laïnh d

ñeå thöïc hieän quaù trình nhaän nhieät, sau ñoù trôû veà bình haáp thuï e.

a

b

c

fg

d e




- - 112

Taïi e seõ dieãn ra quaù trình haáp thuï giöõa NH3 vaø dung dòch ñoùi ñöôïc traû veà töø a

thoâng qua van g. Sau khi trôû thaønh dung dòch no, noù ñöôïc bôm f ñöa veà bình phaùt sinh

a ñeå tieáp tuïc thöïc hieän chu trình keá tieáp.

Heä soá söû duïng nhieät cuûa chu trình seõ laø:

= Cq

q2 (8-8)

Trong ñoù: q2: Nhieät löôïng NH3 nhaän ôû buoàng laïnh.

qC: Nhieät löôïng caáp vaøo töø beân ngoaøi cho bình phaùt sinh.

ÔÛ ñaây ta boû qua coâng bôm f.

Maët duø hieäu quaû laøm laïnh cuûa chu trình khoâng cao, nhöng do naêng löôïng caáp

vaøo cho chu trình ôû daïng nhieät naêng vaø coù theå söû duïng nhieät thaûi cuûa caùc nhaø maùy.




TAØI LIEÄU THAM KHAÛO

1. HOAØNG ÑÌNH TÍN, LEÂ CHÍ HIEÄP – Nhieät Ñoäng Kyõ Thuaät – ÑHBK Tp. HCM

2. PHAÏM LEÂ DAÀN, BUØI HAÛI- Nhieät Ñoäng Kyõ Thuaät - ÑHBK Haø Noäi, 2000

3. TRAÀN THEÁ SÔN, BUØI HAÛI - Nhieät Ñoäng Kyõ Thuaät - ÑHBK Haø Noäi

4. LEÂ KIM DÖÔÕNG – Nhieät Kyõ thuaät – ÑH SPKT Tp. HCM, 2000.




113

BAØI TAÄP NHIEÄT ÑOÄNG KYÕ THUAÄT

------- -------

1/ O2 chöùa trong bình kín coù theå tích 30 lít, ôû nhieät ñoä 27oC vaø aùp suaát 6 at. Neáu ta

cung caáp cho chaát moâi giôùi moät nhieät löôïng laø 60 kJ. Haõy xaùc ñònh:

a) Aùp suaát vaø nhieät ñoä cuoái quaù trình ?

b) Coâng kyõ thuaät ?

c) Ñoä bieán thieân enthanpy ?

d) Bieåu dieãn quaù trình leân ñoà thò p-v vaø T-s ?

2/ Khoâng khí ñöôïc giaõn nôû ñaúng nhieät ôû nhieät ñoä 27oC. Töø V1 = 1,5 m3 ôû aùp suaát

p = 8 bar ñeán V2= 6m3. Tính :

a) Coâng giaõn nôû ?

b) Ñoä bieán thieân entropy ?

c) Coâng kyõ thuaät ?

d) Bieåu dieãn quaù trình leân ñoà thò p-v vaø T-s ?

3/ 1 kg khoâng khí coù traïng thaùi ban ñaàu p1= 6 at ;t1= 25oC. Sau khi giaõn nôû ñoaïn nhieät

theå tích taêng leân hai laàn. Xaùc ñònh :

a) Caùc thoâng soá traïng thaùi cuoái ?

b) Coâng giaõn nôû ?

c) Coâng kyõ thuaät ?

d) Ñoä bieán thieân enthanpy ?

e)Bieåu dieãn quaù trình leân ñoà thò p-v vaø T-s ?

4/ O2 ñöôïc neùn ñoaïn nhieät töø aùp suaát p1 = 1 at ñeán aùp suaát p2 =10 at. Xaùc ñònh:

a) Caùc thoâng soá traïng thaùi sau khi neùn ?

b) Coâng neùn ?

c) Bieåu dieãn quaù trình leân ñoà thò p-v vaø T-s ?

Bieát nhieät ñoä tröôùc khi neùn t1 = 17oC . (Chæ tính cho 1 kg )

5/ 1 Kg khoâng khí ôû nhieät ñoä T1 = 300 K. Thöïc hieän quaù trình neùn ña bieán, aùp suaát

sau khi neùn taêng leân 10 laàn. Haõy xaùc ñònh:

a) Nhieät löôïng tham gia quaù trình?

b) Ñoä bieán thieân entropy ?

c) Coâng neùn ?

(Bieát raèng soá muõ ña bieán n = 1,2 .)

6/ Chu trình Carnot thuaän coù p max =50 bar; Tmax = 700 K; p min = 1 bar; Tmin =350 K

Haõy tính :




114

a) Caùc thoâng soá traïng thaùi ôû caùc ñieåm nuùt cuûa chu trình ?

b) Nhieät nhaän vaø thaûi ?

c) Coâng cuûa chu trình ?

d) Hieäu suaát nhieät chu trình ?

( Chaát moâi giôùi ñöôïc xem laø khoâng khí )

7/ Khoâng khí coù theå tích V1 = 8 m3, aùp suaát p1 =2 bar. Thöïc hieän quaù trình neùn ña bieán

laøm cho aùp suaát taêng leân 10 laàn. Xaùc ñònh nhieät löôïng tham gia quaù trình ?

(Bieát raèng soá muõ ña bieán n = 1,2 ).

8/ Maùy neùn khoâng khí thöïc hieän caùc quaù trình neùn ña bieán vôùi n = 1,2. Aùp suaát ñaàu

vaø cuoái laàn löôït laø: 1 bar; vaø 120 bar. Nhieät ñoä vaøo vaø ra ôû moãi caáp laø nhö nhau laàn

löôït laø: 27oC; 127o. Xaùc ñònh:

a) Soá caáp cuûa maùy neùn ?

b) Tæ soá taêng aùp β ?

c) Aùp suaát trung gian giöõa caùc caáp ?

d) Nhieät thaûi cuûa maùy neùn ?

(Chæ tính cho 1 Kg khí .)

9/ Chu trình ñoäng cô ñoát trong caáp nhieät ñaúng tích,ôû traïng thaùi 1 coù: p1 = 1bar;

t1 =27oC, caùc ñaïi löôïng ñaëc tröng: = 5; = 3. Xaùc ñònh:

a) Caùc thoâng soá traïng thaùi taïi caùc ñieåm nuùt cuûa chu trình ?

b) Nhieät nhaän vaø nhaû ?

c) Coâng vaø hieäu suaát nhieät cuûa chu trình?

(Chaát moâi giôùi ñöôïc xem laø 1Kg khoâng khí )

10/ Chu trình lí thuyeát ñoäng cô ñoát trong caáp nhieät hoãn hôïp coù caùc thoâng soá:

p1 = 1bar; t1 = 27oC; = 12; = 3; = 1,4. Xaùc ñònh :

a) Caùc thoâng soá traïng thaùi taïi caùc ñieåm nuùt cuûa chu trình ?

b) Nhieät nhaän vaø nhaû?

c) Coâng, hieäu suaát nhieät cuûa chu trình?

d) Bieåu dieãn chu trình leân ñoà thò p-v vaø T-s?

(Chæ tính cho 1Kg khoâng khí )

11/ Chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng aùp coù :

p1 = 1bar; t1 =27oC; t3 =827oC; β = 12; k =1,4. Xaùc ñònh :

a) Caùc thoâng soá taïi caùc ñieåm ñaëc tröng cuûa chu trình?


c) Coâng cuûa chu trình theo hai caùch: Coâng kyõ thuaät vaø nhieät löôïng?




115

d) Hieäu suaát cuûa chu trình theo nhieät löôïng vaø theo β ?

e) Bieåu dieãn chu trình leân ñoà thò p-v vaø T-s theo tæ leä töông öùng?

(Chæ tính cho 1kg khoâng khí )

12/ Chu trình turbine khí caáp nhieät ñaúng aùp coù caùc thoâng soá :

t1 =27oC; p2 =10 bar; t2 =427oC; v4 =2,5 m3/kg. Xaùc ñònh:

a) Caùc thoâng soá coøn laïi taïi caùc ñieåm ñaëc tröng cuûa chu trình?


c) Coâng vaø hieäu suaát nhieät cuûa chu trình?

13/ Chu trình Rankine coù caùc thoâng soá hôi ôû traïng thaùi ñaàu p1 = 20 bar; t1 = 400oC, aùp

suaát ra khoûi turbine p2 = 0,05 bar. Xaùc ñònh :

a) Hieäu suaát nhieät cuûa chu trình ?

b) Suaát tieâu hao hôi (d) ?

14/ Chu trình Rankine coù coâng suaát N = 20.000 kW, caùc thoâng soá hôi ôû ñaàu vaøo

turbine: p1 = 50 bar; t1 = 550oC, aùp suaát ra khoûi turbine p2 = 0,04 bar. Xaùc ñònh :

a) Coâng vaø hieäu suaát nhieät cuûa chu trình?

b) Löôïng hôi tieâu thuï cuûa ñoäng cô (D)?

15/ Chu trình hoài nhieät coù caùc thoâng soá:

p1 = 90 bar; t1 = 450oC; p2 = 0,04 bar. Hôi ñöôïc trích ra ôû caùc aùp suaát: p’= 10 bar;

p” = 1,2 bar. Xaùc ñònh :

a) Coâng giaõn nôû ôû turbine cao aùp (lca); trung aùp (ltra); vaø haï aùp (lha)?

b) Hieäu suaát nhieät cuûa chu trình?

c) Hieäu suaát nhieät cuûa chu trình Rankine khi coù cuøng thoâng soá ban ñaàu vaø

cuoái? So saùnh hieäu suaát nhieät trong hai tröôøng hôïp treân, cho nhaän xeùt?

(Bieát raèng g1 = 0,130 kg; g2 = 0,120 kg.)

16/ Chu trình thieát bò laøm laïnh duøng moâi chaát laø khoâng khí coù caùc thoâng soá:

t1 = -10oC; t3 = 30oC; tæ soá taêng aùp cuûa maùy neùn β = p2/p1 = 5. Xaùc ñònh:

a) Nhieät nhaän vaø nhaû cuûa chu trình?

b) Coâng chu trình?

c) Heä soá laøm laïnh?

d) Coâng suaát lyù thuyeát ñoäng cô (Nlt)?

Bieát raèng naêng suaát laïnh cuûa chu trình Qo = 40 kJ/s.

17/ Chu trình thieát bò laïnh duøng hôi (NH3) ,nhieät ñoâ moâi chaát sau khi ra khoûi buoàng

laïnh laø hôi baõo hoaø khoâ coù nhieät ñoä t1 = -20oC, nhieät ñoä sau khi ngöng t3 = 20oC,löu

löôïng khoái löôïng G = 0,200 kg/s. Xaùc ñònh :

a) Heä soá laøm laïnh cuûa chu trình ?




116

b) Naêng suaát laïnh cuûa chu trình (Qo) ?

c) Coâng suaát lyù thuyeát cuûa ñoäng cô (Nlt ) ?.

18/ Thieát bò laïnh duøng hôi (NH3), traïng thaùi hôi vaøo maùy neùn laø hôi baõo hoaø khoâ coù aùp

suaát p1 = 1 bar, aùp suaát cuoái quaù trình neùn ñoaïn nhieät laø p2 = 6 bar, coâng suaát maùy neùn

N = 60 kW. Xaùc ñònh :

a) Heä soá laøm laïnh ?

b) Löu löôïng moâi chaát (G) ?

c) Naêng suaát laïnh (Qo) ?




- 117 -




118

BAÛNG 3: NÖÔÙC SOÂI VAØ HÔI BAÕO HOAØ KHOÂ CHO THEO NHIEÄT ÑOÄ




119

BAÛNG 3: NÖÔÙC SOÂI VAØ HÔI BAÕO HOAØ KHOÂ CHO THEO NHIEÄT ÑOÄ (Tieáp theo)




120

BAÛNG 3: NÖÔÙC SOÂI VAØ HÔI BAÕO HOAØ KHOÂ CHO THEO NHIEÄT ÑOÄ (Tieáp theo)




121

BAÛNG 4: NÖÔÙC SOÂI VAØ HÔI BAÕO HOAØ KHOÂ CHO THEO AÙP SUAÁT




122

BAÛNG 4: NÖÔÙC SOÂI VAØ HÔI BAÕO HOAØ KHOÂ CHO THEO AÙP SUAÁT (Tieáp theo)




123





124





125





126

BAÛNG 5: NÖÔÙC CHÖA SOÂI VAØ HÔI QUAÙ NHIEÄT




127

BAÛNG 5: NÖÔÙC CHÖA SOÂI VAØ HÔI QUAÙ NHIEÄT (Tieáp theo)




128





129





130





131





132

ÑOÀ THÒ i-d




133




134




135




136




137

TAØI LIEÄU THAM KHAÛO

1. HOAØNG ÑÌNH TÍN, LEÂ CHÍ HIEÄP – Nhieät Ñoäng Kyõ Thuaät – ÑHBK Tp. HCM

2. PHAÏM LEÂ DAÀN, BUØI HAÛI- Nhieät Ñoäng Kyõ Thuaät - ÑHBK Haø Noäi

3. TRAÀN THEÁ SÔN, BUØI HAÛI - Nhieät Ñoäng Kyõ Thuaät - ÑHBK Haø Noäi

4. LEÂ XUAÂN HOØA – Kyõ thuaät nhieät – NXB ÑH QG Tp. HCM, 2004.

5. LEÂ KIM DÖÔÕNG – Nhieät Kyõ thuaät – ÑH SPKT Tp. HCM, 2000.




Documents

Trinh Nhiet Dong Luc Hoc Ky Thuat