Chương 2 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN docx

Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 27-

Chương 2
CÁC QUÁ TRÌNH NHI
ỆT ðỘNG CƠ BẢN
2.1. Khái niệm
2.1.1. Hơi nước là 1 khí thực
H
ơi nước có rất nhiều ưu ñiểm so với các môi chất khác như có nhiều trong
thiên nhiên, rẻ tiền và ñặc biệt là không ñộc hại ñối với môi trường và không ăn mòn
thiết bị, do ñó nó ñược sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp. Hơi nước
th
ường ñược sử dụng trong thực tế ở trạng thái gần trạng thái bão hoà nên không thể
bỏ qua thể tích bản thân phân tử và lực hút giữa chúng. Vì vậy, không thể dùng
ph
ương trình trạng thái lí tưởng cho hơi nước ñược.
Phương trình trạng thái cho hơi nước ñược dùng nhiều nhất hiện nay là phương trình
Vukalovich-novikov:
( )
3
2
2
1
m
a c
p v b RT
V
T

+
 
 






+ − = −








 



 

Ở ñây :
, ,
a b m
là các hệ số ñược xác ñịnh bằng thực nghiệm.
T
ừ công thức này người ta ñã xây dựng bảng và ñồ thị hơi nước .

2.1.2 Quá trình hoá h
ơi của nước
N
ước có thể chuyển từ thể lỏng sang thể hơi nhờ quá trình hoá hơi. Quá trình
hoá h
ơi có thể là bay hơi hoặc sôi.
* Quá trình bay hơi:
Quá trình bay hơi là quá trình hoá hơi chỉ xảy ra trên bề mặt thoáng chất lỏng, ở nhiệt
ñộ bất kì.
- ðiều kiện ñể xảy ra quá trình bay hơi : Muốn xảy ra quá trình bay hơi thì cần phải có
m
ặt thoáng.
- ðặc ñiểm của quá trình bay hơi: Quá trình bay hơi xảy ra do các phân tử nước trên bề
mặt thoáng có ñộng năng lớn hơn sức căng bề mặt và thoát ra ngoài, bởi vậy quá trình
bay h
ơi xảy ra ở bất kì nhiệt ñộ nào.
- Cường ñộ bay hơi phụ thuộc vào bản chất và nhiệt ñộ của chất lỏng. Nhiệt ñộ càng
cao thì t
ốc ñộ bay hơi càng lớn.
* Quá trình sôi:
Quá trình sôi là quá trình hoá h
ơi xảy ra cả trong lòng thể tích chất lỏng.
- ðiều kiện ñể xảy ra quả trình sôi: Khi cung cấp nhiệt cho chất lỏng thì nhiệt ñộ của
nó tăng lên và cường ñộ bay hơi cũng tăng lên, ñến một nhiệt ñộ xác ñịnh nào ñó thì
hi
ện tượng bay hơi xảy ra cả trong toàn bộ thể tích chất lỏng, khi ñó các bọt hơi xuất
hiện cả trên bề mặt nhận nhiệt lẫn trong lòng chất lỏng, ta nói chất lỏng sôi. Nhiệt ñộ
ñó ñược gọi là nhiệt ñộ sôi hay nhiệt ñộ bão hoà.
- ðặc ñiểm của quá trình sôi: Nhiệt ñộ sôi phụ thuộc vào bản chất và áp suất của chất
l

ỏng ñó. Ở áp suất không ñổi nào ñó thì nhiệt ñộ sôi của chất lỏng không ñổi, khi áp
suất chất lỏng càng cao thì nhiệt ñộ sôi càng lớn và ngược lại.
2.1.3 Quá trình ng
ưng tụ
Quá trình ng
ược lại với quá trình sôi là quá trình ngưng tụ, trong ñó hơi nhả
nhiệt và biến thành chất lỏng. Nhiệt ñộ của chất lỏng không thay ñổi suốt trong quá
trình ng
ưng tụ.

Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 28-

2.2. Quá trình hóa hơi ñẳng áp
2.2.1 Mô tả quá trình
Gi
ả thiết nước bắt ñầu ở trạng thái O trên ñồ thị p-v và T-s (xem hình) có nhiệt
ñộ
t
, thể tích riêng là
v
. Khi cung cấp nhiệt cho nước trong ñiêu kiện áp suất không
ñổi

p const
=
, nhiệt ñộ và thể tích riêng tăng lên. ðến nhiệt ñộ nào ñó thì nước bắt
ñầu sôi, có thể tích riêng là

'
v
và các thông số trạng thái khác tương ứng là: u’, i’, s’,
tr
ạng thái sôi ñược biểu thị bằng ñiểm A
s
t
ñược gọi là nhiệt ñộ sôi hay nhiệt ñộ bão
hoà ứng với áp suất
p
.

N
ếu tiếp tục cấp nhiệt vẫn ở áp suất ñó thì cường ñộ bốc hơi càng tăng nhanh,
nhi
ệt ñộ của nước và hơi không thay ñổi và bằng
s
t
. ðến một lúc nào ñó thì toàn bộ
n
ước sẽ biến hoàn toàn thành hơi trong khi nhiệt ñộ của hơi vẫn còn giữ ở nhiệt ñộ
s
t
.
H
ơi nước ở trạng thái này ñược gọi là hơi bão hoà khô, ñược biễu diễn bằng ñiểm C.
Các thông s
ố tại ñiểm C ñược kí hiệu là v’’, u’’, i’’, s’’. Nhiệt lượng cấp vào cho 1 kg
nước từ khi bắt ñầu sôi ñến khi biến thành hơi hoàn toàn ñược gọi là nhiệt ẩn hoá hơi,
kí hi

ệu là
" '
r i i
= −
.
N
ếu ta cung cấp nhiệt cho hơi bão hoà khô vẫn ở áp suất ñó thì nhiệt ñộ và thể
tích riêng của nó lại bắt ñầu tiếp tục tăng lên. Hơi nước ở nhiệt ñộ này gọi là hơi quá
nhiệt. Các thông số hơi quá nhiệt kí hiệu là v, p, t, i, s. Hiệu số nhiệt ñộ của hơi quá
nhi
ệt và hơi bão hoà ñược gọi là ñộ quá nhiệt. ðộ quá nhiệt càng cao thì hơi càng gần
với khí lí tưởng.
V
ậy ở áp suất
p
không ñổi, khi cấp nhiệt cho nước ta sẽ có các trạng thái O,
A, C t
ương ứng với nước chưa sôi, nước sôi và hơi bão hoà khô. Quá trình ñó ñược
gọi là quá trình hoá hơi ñẳng áp.
T
ương tự như vậy, nếu cấp nhiệt ñẳng áp cho nước ở áp suất
1

p const
=
thì
ta có các tr
ạng thái tương ứng kí hiệu
1 1 1
, ,

O A C
và ở áp suất p2 = const ta cũng có các
ñiểm tương ứng là
2 2 2
, ,
O A C

2.2.2 Các
ñường ñặc tính của nước
Khi n
ối các ñiểm
O
,
1
O
,
2
O
,
3
O
ta ñược một ñường gọi là ñường nước
ch
ưa sôi, ñường này gần nhà thẳng ñứng, chứng tỏ thể tích riêng của nước rất ít phụ
thu
ộc vào áp suất.
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 29-

Khi nối các ñiểm
1 2 3
, , ,
A A A A
ta ñược một ñường cong biểu thị trạng thái nước
sôi g
ọi là ñường giới hạn dưới. Khi nhiệt ñộ sôi tăngthì thể tích riêng của nước sôi
,
v

t
ăng, do ñó ñường cong này dịch dần về phía bên phải khi tăng áp suất.
Khi n
ối các ñiểm
1 2 3
, , ,
C C C C
ta ñược một ñường cong biểu thị trạng thái hơi
bão hoà khô, g
ọi là ñường giới hạn trên. Khi áp suất tăng thì thể tích riêng của hơi bão
hoà khô giảm nên ñường cong này dịch về phía trái.
ðường giới hạn trên và ñường giới hạn dưới gặp nhau tại ñiểm
K
, gọi là ñiểm tới hạn.
Tr
ạng thái tại ñiểm
K
gọi là trạng thái tới hạn, ñó chính là trạng thái mà không còn sự
khác nhau giữa chất lỏng sôi và hơi bão hào khô. Các thông số tương ứng với trạng

thái
ñó ñược gọi là thông số tới hạn.
*Ví d
ụ: nước có
22,1
k
p Mpa
=
,
374
o
k
t C
=
,
3
0.00326 /
k
v m kg
=
,
2156,2 /
k
i kj kg
=
,
4,43 /
k
s kj kg
=

ñộ.
Hai
ñường giới hạn trên và dưới chia ñồ thị làm 3 vùng. Vùng bên trái ñường giới hạn
d
ưới là vùng nước chưa sôi, vùng bên phải ñường giới hạn trên là vùng hơi quá nhiệt,
còn vùng giữa hai ñường giới hạn là vùng hơi bão hoà ẩm.
Trong vùng bão hoà
ẩm thì nhiệt ñộ và áp suất không còn là thông số ñộc lập
nữa. ứng với nhiệt ñộ sôi, môi chất có áp suất nhất ñịnh và ngược lại ở một áp suất xác
ñịnh, môi chất có nhiệt ñộ sôi tương ứng. Vì vậy, ở vùng này muốn xác ñịnh trạng thái
c
ủa mỗi chất phải dùng thêm một thông số nữa gọi là ñộ khô
x
hay ñộ ẩm
y
của
h
ơi,(
1
y x
= −
).
N
ếu xét
G
kg hỗn hợp hơi và nước (hơi ẩm), trong ñó gồm
h h
x n h
G G
x

G G G
= =
+

ho
ặc ñộ ẩm:
n
n h
G
y
G G
=
+

Như vậy ta thấy: Trên ñường giới hạn dưới lượng hơi
0
h
G
=
, do ñó ñộ khô
0
x
=
,
ñộ ẩm
1
y
=
. Còn trên ñường giới hạn trên, lượng nước ñã biến hoàn toàn toàn thành
h

ơi nên
0
n
G
=
nghĩa là ñộ khô
1
x
=
, ñộ ẩm
0
y
=
và giữa hai ñường giới hạn có ñộ
khô:
0 1
x
< <
.
2.3. Xác ñịnh các thông số trạng thái của nước và hơi bảo hòa
Cũng như hơi của các chất lỏng khác, hơi nước là một khí thực, do ñó không
thể tính toán theo phương trình trạng thái của khí lí tưởng ñược. Muốn tính toán chúng
c
ần phải sử dụng các ñồ thị hoặc bảng số ñã ñược lập sẵn cho từng loại hơi.
2.3.1. Các b
ảng và xác ñịnh thông số trạng thái của nước
* B
ảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt:

ðể xác ñịnh trạng thái môi chất ta cần biết hai thông số trạng thái ñộc lập.

Trong vùng nước chưa sôi và vùng hơi quá nhiệt, nhiệt ñộ và áp suất là hai thông số
ñộc lập, do ñó bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ñược xây dựng theo hai thông số
này. Bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ñược trình bày ở phần phụ lục, bảng này cho
phép xác
ñịnh các thông số trạng thái
, ,
v i s
của nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ứng
v
ới một áp suất và nhiệt ñộ xác ñịnh nào ñó.
T
ừ ñó ñịnh ñược:
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 30-

u i pv
= −

* Bảng nước sôi và hơi bão hòa khô:
Khi môi chất có trạng thái trong vùng giữa ñường giới hạn dưới (ñường nước
sôi) và
ñường giới hạn trên (ñường hơi bão hào khô) thì nhiệt ñộ và áp suất không còn
là hai thông số ñộc lập nữa, vì vậy muốn xác ñịnh trạng thái của môi chất thì cần biết
thêm một thông số khác nữa.

ðộ khô cũng là một thông số trạng thái. Nước sôi có ñộ khô
0
x

=
, hơi bão hòa
khô có
ñộ khô
1
x
=
, như vậy trạng thái của môi chất trên các ñường giới hạn này sẽ
ñược xác ñịnh khi biết thêm một thông số trạng thái nữa là áp suất
p
hoặc nhiệt ñộ
t
.
Chính vì v
ậy các thông số trạng thái khác của nước sôi và hơi bão hòa khô có thể ñược
xác ñịnh bằng bảng nước sôi và hơi bão hoà khô theo áp suất hoặc nhiệt ñộ.
B
ảng “nước sôi và hơi bão hòa khô” có thể cho theo
p
hoặc
t
, ñược trình bày trong
ph
ần phụ lục, cho biết các thông số trạng thái của nước sôi (
'
v
,
’, ’
i s
), hơi bão hòa khô

(
”, ”, ”
v i s
) và nhiệt ẩn hoá hơi
r
theo áp suất hoặc theo nhiệt ñộ.
Khi môi chất ở trong vùng hơi ẩm, các thông số trạng thái của nó có thể ñược
tính theo các thông s
ố trạng thái tương ứng trên các ñường giới hạn và ñộ khô
x
ở
cùng áp su
ất.
Vi d
ụ: Trong 1kg hơi ẩm có ñộ khô
x
, sẽ có
x
kg hơi bão hòa khô với thể tích
”
v
và
(
)
1-
x
kg nước sôi với thể tích
’
v
. Vậy thể tích riêng của hơi ẩm sẽ là:

(
)
(
)
” 1- ’ ’ ” – ’
x
v xv x v v x v v
= + = +

Nh
ư vậy, muốn xác ñịnh các thông số trạng thái của hơi ẩm có ñộ khô
x
ở áp suất
p
,
tr
ước hết dựa vào bảng “nước sôi và hơi bão hòa khô” ta xác ñịnh các thông số
’, ’, ’
v i s
của nước sôi và
”, ”, ”
v i s
của hơi bão hòa khô theo áp suất
p
, sau ñó tính các
thông s
ố tương ứng của hơi ẩm theo công thức:
(
)
' '' - '

x
x
Φ = Φ + Φ Φ

Trong
ñó:
+
x
Φ
là thông số trạng thái của hơi bão hòa ẩm có ñộ khô
x
(ví dụ
, ,
x x x
v i s
),
+
'
Φ
là thông số trạng thái
’, ’, ’
v i s
của nước sôi tương ứng trên ñường x=0
+
''
Φ
là thông số trạng thái
”, ”, ”
v i s
của hơi bão hòa khô tương ứng trên ñường

1
x
=
ở cùng áp suất.
2.3.2.
ðồ thị T-s và i-s của hơi nước
Các b
ảng hơi nước cho phép tính toán các thông số trạng thái với ñộ chính xác
cao, tuy nhiên vi
ệc tính toán phức tạp và mất nhiều thời giờ. ðể ñơn giản việc tính
toán, ta có thể dùng ñồ thị của hơi nước. Dựa vào ñồ thị có thể xác ñịnh các thông số
còn lại khi biết 2 thông số ñộc lập với nhau. ðối với hơi nước, thường dùng các ñồ thị
T-s, i-s.
*
ðồ thị T -s của hơi nước:

ðồ thị T-s của hơi nước ñược biểu thị trên hình, trục tung của ñồ thị biễu diễn
nhiệt ñộ, trục hoành biểu diễn entropi. Ở ñây các ñường ñẳng áp trong vùng nước chưa
sôi g
ần như trùng với ñường giới hạn giới
0
x
=
(thực tế nằm trên ñường
0
x
=
),
trong vùng hơi bão hoà ẩm là các ñường thẳng song song với trục hoành và trùng với
ñường ñẳng nhiệt, trong vùng hơi quá nhiệt là các ñường cong lõm ñi lên. Các ñường

ñộ khô không ñổi xuất phát từ ñiểm
K
ñi tỏa xuống phía dưới.
ðồ thị T-s ñược xây dựng cho vùng hơi bão hòa và vùng hơi quá nhiệt.
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 31-


* ðồ thị i-s của hơi nước:
Theo
ñịnh luật nhiệt ñông thứ nhất ta có
q i l
= ∆ −
, mà trong quá trình ñẳng áp
0
dp
=
do ñó
0
l
=
, vậy
2 1
q i i i
= ∆ = −
. Nghĩa là trong quá trình ñẳng áp, nhiệt
lượng
q

trao ñổi bằng hiệu entanpi, vì vậy ñồ thị i-s sử dụng rất thuận tiện khi tính
nhi
ệt lượng trong quá trình ñẳng áp. ðồ thị i-s của hơi nước ñược biểu diễn trên hình
d
ưới, trục tung biễu diễn entanpi, trục hoành biễu diễn Entropi, ñược xây dựng trên cơ
sở các số liệu thực nghiệm.

ðồ thị gồm các ñường: ðường ñẳng áp (
p const
=
) trong vùng hơi ẩm là các
ñường thẳng nghiêng ñi lên, trùng với ñường ñẳng nhiệt tương ứng; trong vùng hơi
quá nhiệt là các ñường cong lõm ñi lên.
ðường ñẳng nhiệt trong vùng hơi ẩm trùng với ñường ñẳng áp, là những ñường
th
ẳng nghiêng ñi lên, trong vùng hơi quá nhiệt là những ñường cong lồi ñi lên và càng
xa
ñường
1
x
=
thì càng gần như song song với trục hoành. ðường ñẳng tích dốc
h
ơn ñường ñẳng áp một ít. ðường ñộ khô

x const
=
là chùm ñường cong xuất phát
t
ừ ñiểm K ñi xuống phía dưới.

Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 32-

2.4. Các quá trình nhiệt ñộng của hơi nước
2.4.1. Quá trình ñẳng tích

v const
=

Quá trình
ñẳng tích của hơi nước ñược biễu diễn bằng ñường 1-2 trên ñồ thị i-s
hình 5.4. Tr
ạng thái ñầu ñược biểu diễn bằng ñiểm 1, là giao ñiểm của ñường
1
ons
p c t
=
với ñường
1

t const
=
. Các thông số còn lại
1 1 1
, ,
i s v

ñược xác ñịnh bằng
cách ñọc các ñường
,
i s
và
v
ñi qua
ñiểm 1.


Tr
ạng thái cuối ñược biễu diễn
b
ằng ñiểm 2, ñược xác ñịnh bằng giao
ñiểm của ñường
2 1

v v const
= =
và
ñường
2

p const
=
, từ ñó xác ñịnh
các thông s
ố khác như ñối với ñiểm 1
- Công c
ủa quá trình:

0
dl pdv
= =
vì
0
dv
=
,
hay:
0
l
=

- Bi
ến thiên nội năng:
(
)
(
)
(
)
2 2 2 1 1 1
2 1 2 1
- – –
– – –
u i p v i p v
u i i v p p
∆ =
⇒ ∆ =

- Nhi
ệt lượng trao ñổi trong quá trình:

q u l u
= ∆ + = ∆

2.4.2. Quá trình
ñẳng áp
Quá trình
ñẳng áp của hơi nước ñược
biểu diễn bằng ñường 1-2 trên ñồ thị i–s hình
5.5. Trạng thái ñầu ñược biễu diễn bằng ñiểm
1, là giao
ñiểm của ñường
1

p const
=
với
ñường
1

t const
=
. Các thông số còn lại
1
i
,
1
s

,
1
v
ñược xác ñịnh bằng cách ñọc các ñường
i
,
s
và
v
ñi qua ñiểm 1. Trạng thái cuối ñược
bi
ểu diễn bằng ñiểm 2, ñược xác ñịnh bằng
giao
ñiểm của ñường
2 1

p p const
= =
với
ñường
2

x const
=
, từ ñó xác ñịnh các thông
s
ố khác nhà ñối với ñiểm 1.
- Công của quá trình:
( )
2

1
2 1
v
v
l pdv p v v
= = −
∫

- Bi
ến thiên nội năng:
(
)
2 1 2 1
– – –
u i i p v v
∆ =

- Nhi
ệt lượng trao ñổi:
2 1
-
q u l i i
= ∆ + =

2.4.3. Quá trình
ñẳng nhiệt
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 33-

Quá trình ñẳng nhiệt
của hơi nước ñược biểu diễn
b
ằng ñường 1-2 trên ñồ thị i-s
hình 5.6. Trạng thái ñầu ñược
bi
ểu diễn bằng ñiểm 1, là
giao
ñiểm của ñường
1
t
và
1
x
. Các thông số còn lại
1
v
,
1
i
,
1
s
ñược xác ñịnh bằng
cách ñọc các ñường
v
,
i
,

s

ñi qua ñiểm 1.
Trạng thái cuối ñược biễu
diễn bằng ñiểm 2, là giao
ñiểm của ñường
2
p
với
ñường
2 1

t t const
= =
, từ
ñó xác ñịnh các thông số
khác nhà ñối với ñiểm 1.
- Biến thiên nội năng:
2 1 2 2 1 1
– – ( – )
u i i p v p v
∆ =

- Nhiệt lượng trao ñổi trong quá trình:
( )
2
1
2 1
s
s

q Tds T s s
= = −
∫

- Công c
ủa quá trình:
-
l q u
= ∆

2.4.4. Quá trình
ñoạn nhiệt
Quá trình
ñoạn nhiệt của hơi
nước ñược biễu diễn bằng ñường 1-2
trên
ñồ thị i-s hình 5-7. Trong quá
trình này,
0
dq
=
nếu
0
ds
=
.
Trên
ñồ thị T-s và i-s quá trình ñoạn
nhi
ệt là một ñoạn thẳng song song với

tr
ục tung có

s const
=
.
- Nhi
ệt lượng trao ñổi :
0
dq
=
hay
0
q
=
, do ñó:

dq
ds
T
=

- Công và bi
ến thiên nội năng:
2 1 2 2 1 1
- – ( - )
l u i i p v p v
= ∆ =

2.5. Các quá trình của không khí ẩm

2.5.1. Không khí ẩm
2.5.1.1. ðịnh nghĩa và tính chất của không khí ẩm
Không khí
ẩm (khí quyển) là một hỗn hợp gồm không khí khô và hơi nước.
Không khí khô là h
ỗn hợp các khí có thành phần thể tích: Nitơ khoảng 78%; Oxy:
20,93%; Carbonnic và các khí trơ khác chiếm khoảng 1%.
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 34-

Hơi nước trong không khí ẩm có phân áp suất rất nhỏ (khoảng 15 ñến 20
mmHg), do ñó ở nhiệt ñộ bình thường thì hơi nước trong khí quyển là hơi quá nhiệt, ta
coi nó là khí lý t
ưởng. Như vậy, có thể coi không khí ẩm là một hỗn hợp khí lý tưởng,
có thể sử dụng các công thức của hỗn hợp khí lý tưởng ñể tính toán không khí ẩm,
ngh
ĩa là:
- Nhiệt ñộ không khí ẩm :
=
kk h
T T T
=

- Áp su
ất không khí ẩm:
kk h
p p p
= =

- Thể tích
V
:

kk h
V V V
= +

Khối lượng
G
:

kk h
G G G
= +

2.5.1.2. Phân lo
ại không khí ẩm
Tu
ỳ theo lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm, ta chia chúng ra thành 3
lo
ại:
* Không khí ẩm bão hoà:
Không khí ẩm bão hòa là không khí
ẩm mà trong ñó lượng hơi nước ñạt tới giá trị
l
ớn nhất
max
G G

=
. Hơi nước ở ñây là hơi bão
hòa khô,
ñược biễu diễn bằng ñiểm
A
trên ñồ
th
ị T-s hình 6.9.
* Không khí ẩm chưa bão hòa:
Không khí ẩm chưa bão hòa là không
khí
ẩm mà trong ñó lượng hơi nước chưa ñạt
t
ới giá trị lớn nhất
max
G G
<
, nghĩa là còn có
th
ể nhận thêm một lượng hơi nước nữa mới
tr
ở thành không khí ẩm bão hòa. Hơi nước ở
ñây là hơi quá nhiệt, ñược biểu diễn bằng
ñiểm B trên ñồ thị T-s hình 6.9
* Không khí
ẩm quá bảo hòa:
Không khí ẩm quá bão hòa là không khí ẩm mà trong ñó ngoài lượng hơi nước
l
ớn nhất
max

G
, còn có thêm một lượng nước ngàng nữa chứa trong nó. Hơi nước ở ñây
là h
ơi bão hòa ẩm. Nếu cho thêm một lượng hơi nước nữa vào không khí ẩm bão hòa
thì sẽ có một lượng chừng ñó hơi nước ngưng tụ lại thành nước, khi ñó không khí ẩm
bão hòa trở thành không khí quá bão hòa.
Ví d
ụ: Sương mù là không khí ẩm quá bão hòa vì trong ñó có các giọt nước
ngưng tụ.
T
ừ ñồ thị hình 6.9 ta thấy, có thể biến không khí ẩm chưa bão hòa thành không
khí ẩm bão hòa bằng hai cách:
+ Gi
ữ nguyên nhiệt ñộ không khí ẩm

h
t const
=
, tăng phân áp suất của hơi nước từ
h
p
ñến
max
h
p
(quá trình BA1). Áp suất
max
h
p
là áp suất lớn nhất hay còn gọi là áp suất

bão hòa. Ngh
ĩa là tăng lượng nước trong không khí ẩm chưa bão hòa ñể nó trở thành
không khí
ẩm bão hòa.
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 35-

+ Giữ nguyên áp suất hơi

h
p const
=
, giảm nhiệt ñộ không khí ẩm từ
h
t
ñến nhiệt ñộ
ñọng sương
s
t
(quá trình BA2). Nhiệt ñộ ñọng sương
s
t
là nhiệt ñộ tại ñó hơi ngưng tụ
l
ại thành nước.
2.5.1.3. Các
ñại lượng ñặc trưng cho không khí ẩm
*

ðộ ẩm tuyệt ñối:

ðộ ẩm tuyệt ñối là khối lượng hơi nước chứa trong
3
1
m
không khí ẩm. ðây
c
ũng chính là khối lượng riêng của hơi nước trong không khí ẩm.
3
, /
h
h
G
kg m
V
ρ
 
=
 

*
ðộ ẩm tương ñối:

ðộ ẩm tương ñối
ϕ
là tỷ số giữa ñộ ẩm tuyệt ñối của không khí chưa bão hòa
h
ρ
và ñộ ẩm tuyệt ñối của không khí ẩm bão hòa

max
h
ρ
ở cùng nhiệt ñộ.
max
h
h
ρ
ϕ
ρ
=

Từ phương trình trạng thái của không khí ẩm chưa bão hòa:
h h h
p V G R T
=
và bão hòa:
max maxh h h
p V G R T
=
, suy ra:
h h
h
h
G p
V R T
ρ = =

Và:
ax ax

ax
h m h m
h m
h
G p
V R T
ρ = =
Chia v
ế theo vế của hai pt trên:
ax max
h h
m h
p
p
ρ
ϕ
ρ
= =
Vì
max
0 ê 0 100%
h h
p p n n
ϕ
≤ ≤ ≤ ≤
. Không khí khô có
0
ϕ
=
, không khí ẩm bão hòa

có
100%
ϕ
=
.

ðộ ẩm thích hợp nhất cho sức khỏe ñộng vật là
(
)
40 75 %
ϕ
= ÷
, cho bảo quản
l
ạnh thực phẩm là 90%.
*
ðộ chứa hơi d:

ðộ chứa hơi
d
là lượng hơi chứa trong 1kg không khí khô hoặc trong
(
)
1
d kg
+
không khí ẩm.
[ ]
; /
h

k
G
d kgh kgK
G
=

T
ừ phương trình trạng thái khí lí tưởng viết cho hơi nước và không khí khô, ta có:
à
h k
h k
h k
p V p V
G v G
R T R T
= =

thay th
ế các giá trị
G
vào pt trên, ta ñược:
[ ]
8314,18
0,622 /
29,8314
h k h h
k h k h
p R p p
d kgh kgK
p R p p p

= = =
−

* Entanpi c
ủa không khí ẩm
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 36-

Entanpi của không khí ẩm bằng tổng entanpi của không khí khô và entanpi của
hơi nước chứa trong ñó. Trong kĩ thuật thường tính entanpi của 1kg không khí khô và
d kg
hơi nước chứa trong
(
)
1
d kg
+
không khí ẩm, kí hiệu là
i
:
[
]
. , /
k h
i i d i kJ kgK
= +

Trong

ñó:
+
k
i
- en tanpi của 1kg không khí khô,

k pk
i C t
=
, mà
1 /
pk
C kJ kgK
=
vậy
k
i t
=
;
+
h
i
- entanpi của hơi nước, nếu không khí ẩm chưa bão hoà thì hơi nước là hơi quá
nhi
ệt có
2500 2500 1,9
h ph
i C t t
= + = +
;

Cu
ối cùng ta có:
(
)
(
)
2500 + 1,93 ; /
I t d t kJ kgK
= +

2.5.1.4.
ðồ thị i-d

ðể giải các bài toán về không khí ẩm, ngoài việc tính toán theo các công thức,
chúng ta có thể giải bằng ñồ thị i-d. ðồ thị i-d ñược biểu diễn trên hình 6.10, có trục là
entanpi của không khí ẩm [kJ/kgK], trục hoành là ñộ chứa hơi
[
]
/
d g kgK
. Trục
i
và
d
không vuông góc với nhau mà
t
ạo với nhau một góc
0
135
, ñồ

th
ị gồm các ñường sau:
+
ðường

i const
=
là
ñường thẳng nghiêng ñi xuống
v
ới góc nghiêng
0
135
; +
ðường

d const
=
là ñường
thẳng ñứng;
+
ðường

t const
=
trong
vùng không khí
ẩm chưa bão hòa
là các ñường thẳng nghiêng ñi
lên.

+
ðường
ons
c t
ϕ
=
trong
vùng không khí
ẩm chưa bão hòa
ở nhiệt ñộ
(
)
s
t t p
<
là các
ñàờng cong lồi, trong vùng nhiệt
ñộ
(
)

s
t t p
>
là

ñường thẳng ñi lên.
+
ðường
100%

ϕ
=
chia ñồ thị thành hai vùng phía trên là không khí ẩm chưa
bão hòa, vùng phía d
ưới là không khí ẩm quá bão hòa.
+
ðường phân áp suất hơi nước

h
p const
=
là ñường thẳng nghiêng ñi lên

ñược dựng theo quan hệ (6-46), ñơn vị ño
h
p
là mmHg.
Tr
ạng thái không khí ẩm ñược xác ñịnh khi biết hai trong các thông số
, , ,
i d t
ϕ
. . . .
Khi ñã xác ñịnh ñược trạng thái của không khí ẩm trên ñồ thị i-d, ta có thể xác
ñịnh ñược các thông số còn lại.
2.5.2. Các quá trình c
ủa không khí ẩm
2.5.2.1.Quá trình s
ấy
Quá trình s

ấy là quá trình làm giảm ñộ ẩm của vật muốn sấy. Môi chất dùng ñể
sấy thường là không khí ẩm chưa bão hòa hoặc sản phẩm cháy của nhiên liệu, về
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 37-

nguyên tắc hoàn toàn giống nhau, ở ñây ta khảo sát quá trình sấy dùng không khí làm
môi chất sấy.
Quá trình s
ấy ñược chia làm hai giai ñoạn:
Giai ñoạn cấp nhiệt cho không khí và giai ñoạn không khí sấy nóng vật sấy và
hút
ẩm từ vật sấy. Quá trình sấy
ñược biểu diễn trên hình 6-11.
Không khí t
ừ trạng thái 1 ñược cấp
nhiệt theo quá trình 1-2 nhiệt ñộ
t
ăng
1
t
ñến
2
t
, entanpi tăng từ
1
i
ñến
2

i
, ñộ ẩm tương ñối giảm từ
1 2
ϕ ϕ
→
nhưng ñộ chứa hơi không
thay
ñổi
1

d const
=
. Không khí
sau khi
ñược sấy nóng ñi vào buồng
sấy, tiếp xúc với vật sấy, sấy nóng
v
ật sấy và làm cho nước trong vật
sấy bay hơi. Quá trình sấy 2 –3 có
entanpi không
ñổi (
2 3
i i
=
), ñộ ẩm
t
ương ñối của không khí tăng từ
2 3
ϕ ϕ
→

và ñộ chứa hơi tăng từ
1 3
d d
→
, nghĩa là ñộ chứa hơi trong
v
ật sấy giảm.
- Không khí nh
ận một lượng hơi nước từ vật sấy bốc ra
n
G
:
[
]
3 1
– , /
n
G d d kgh kgK
=

- L
ượng không khí khô cần thiết làm bay hơi 1kg nước:
[ ]
3 1
1
; /
k
G kgh kgK
d d
=

−

- L
ượng không khí ẩm ở trạng thái ban ñầu cần ñể làm bay hơi 1kg nước trong vậy
s
ấy:
(
)
1
1
k
G d G
= +

- L
ượng nhiệt cần ñể ñốt nóng 1kg không khí khô chứa trong
(
)
1
d kg
+
không khí ẩm
là:
[
]
2 1
– ; /
q i i kJ kgK
=

- L
ượng nhiệt cần thiết ñể làm bay hơi 1kg nước trong vật sấy:
[ ]
2 1
3 2
–
; /
–
k
i i
Q g q kJ kgh
d d
= =

2.5.2.2. Quá trình
ñiều hòa không khí
Th
ực chất của quá trình ñiều hòa không khí là sấy nóng, làm lạnh không khí,
ñồng thời ñiều chỉnh ñộ ẩm của nó ñến một giá trị nào ñó trước khi ñưa không khí vào
phòng. ðiều hòa không khí gồm các quá trình lọc bụi, hỗn hợp không khí mới với
không khí trong phòng, tăng hoặc giảm ñộ ẩm, nhiệt ñộ cho phù hợp với yêu cầu
c
ủa môi trường sống hoặc ñể bảo quản vật tư, thiết bị….
2.6. Quá trình lưu ñộng
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 38-

Sự chuyển ñộng của môi chất gọi là lưu ñộng. Khi khảo sát dòng lưu ñộng, ngoài các

thông số trạng thái như áp suất, nhiệt ñộ . . . . ta còn phải xét một thông số nữa là tốc
ñộ, kí hiệu là
ω
.
2.6.1 Các
ñiều kiện khảo sát
ðể ñơn giản, khi khảo sát ta giả thiết :
- Dòng lưu ñộng là ổn ñịnh: nghĩa là các thông số của môi chất không thay ñổi theo
th
ời gian .
- Dòng lưu ñộng một chiều: vận tốc dòng không thay ñổi trong tiết diện ngang.
- Quá trình lưu ñộng là ñoạn nhiệt: bỏ qua nhiệt do ma sát và dòng không trao ñổi
nhi
ệt với môi trường.
- Quá trình lưu ñộng là liên tục: các thông số của dòng thay ñổi một cách liên tục,
không b
ị ngắt quảng và tuân theo phương trình liên tục:
. .
G f const
ω ρ
= =

Ở ñây:
+
G
– lưu lượng khối lượng [kg/s];
+
ω
- vận tốc của dòng [m/s];
+

f
– diện tích tiết diện ngang của dòng tại nơi khảo sát [m2];
+
ρ
- khối lượng riêng của mổi chất [kg/m3];
2.6.2. Các qui lu
ật chung của của quá trình lưu ñộng
2.6.2.1. Tốc ñộ âm thanh
T
ốc ñộ âm thanh là tốc ñộ lan truyền sóng chấn ñộng trong một môi trường nào
ñó. Tốc ñộ âm thanh trong môi tràờng khí hoặc hơi ñượ xác ñịnh theo công thức:

a kpv kRT
= =

Trong
ñó:
+
a
– tốc ñộ âm thanh [m/s];
+
k
– số mũ ñoạn nhiệt;
+
p
- áp suất môi chất [
2
/
N m
];

+
v
– thể tích riêng [
3
/
m kg
];
+
R
– Hằng số chất khí [
0
/
J kg K
];
+
T
– nhiệt ñộ tuyệt ñối của môi chất [
0
K
];
Rõ ràng, ta th
ấy tốc ñộ âm thanh phụ thuộc vào bản chất và các thông số trạng thái của
môi ch
ất.Tỉ số giữa tốc ñộ của dòng với tốc ñộ âm thanh ñượ gọi là số Mach, ký hiệu
là
M
.
M
a
ω

=

Khi:
-
1
M
<
, ta nói dòng lưu ñộng dưới âm thanh,
-
= 1
M
, ta nói dòng lưu ñộng bằng âm thanh,
-
> 1
M
, ta nói dòng lưu ñộng trên âm thanh (vượt âm thanh).
Dòng lưu ñộng trong ống là một hệ hở, do ñó ta theo ñịnh luật nhiệt ñộng I ta có thể
vi
ết:
2
-
2
dq di vdp
dq di d
ω
=
 


= +






 

Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 39-

2.6.2.2. Quan hệ giữa tốc ñộ dòng và áp suất
Vì dòng
ñoạn nhiệt có
0
dq
=
, nên từ trên ta suy ra:
2
2
d vdp
d vdp
ω
ω ω
 


= −






 
⇒ = −

Các
ñại lượng
, ,
v p
ω
luôn dương, do ñó
ω
ngược dấu với
p
, nghĩa là:
- Khi t
ốc ñộ tăng (
0
d
ω
>
) thì áp suất giảm (
0
dp
<
), ống loại này là ống tăng tốc.
Ống tăng tốc ñược dùng ñể tăng ñộng năng của dòng môi chất trong tuốc bin hơi, tuốc
bin khí.

- Khi t
ốc ñộ tăng (
0
d
ω
<
) thì áp suất tăng (
0
dp
>
), ống loại này là ống tăng áp. ống
t
ăng áp ñược dùng ñể tăng áp suất của chất khí trong máy nén li tâm, ñộng cơ phản
lực.
2.6.2.3. Quan h
ệ giữa tốc ñộ và hình dáng ống
T
ừ phương trình liên tục, ta có:
Gv f
ω
=
, lấy vi phân ta ñược:
Gdv fd df
ω ω
= +
, chia 2 vế của phương trình cho
f
ω
ta ñược:
df dv d

f v
ω
ω
= −

Mặt khác, quá trình lưu ñộng là ñoạn nhiệt nên
dv dp
v kp
= −
, thay vào pt trên ta ñược:
df dp d
f kp
ω
ω
= − −

ðồng thời ta có:
d
dp
v
ω
ω= −
, thay vào pt trên ta ñược:
df d d
f kpv
ω ω ω
ω
= − −

Hay:

2
2
df d d
f a
ω ω ω
ω ω
= − −

T
ừ ñó suy ra:
( )
2
1
df d
M
f
ω
ω
= −

ðối với ống tăng tốc, vì
f
,
ω
,
M
luôn dương và
d
ω
, nên

df
sẽ cùng dấu với
(
)
2
1
M
−
, từ ñây ta có 3 trường hợp sau:
- N
ếu
(
)
2
1 0
M
− <
nghĩa là
1
M
<
hay
a
ω
<
thì
0
df
<
(tiết diện giảm). Ống tăng

tốc có tiết diện nhỏ dần (hình 6.1a),
- N
ếu
(
)
2
1 0
M
− >
nghiã là
1
M
>
hay
a
ω
>
thì
0
df
>
(tiết diện tăng). Ống tăng tốc
có tiết diện lớn dần (hình 6.1b),
- N
ếu
(
)
2
1 0
M

− =
nghiã là
1
M
=
hay
a
ω
=
thì
0
df
=
(tiết diện không ñổi). Nghĩa
là t
ại nơi bắt ñầu có
a
ω
=
thì tiết diện không ñổi (hình 6.1c).
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 40-


Hình 6.1.
Ống tăng tốc

ðối với ống tăng áp, vì
0
d
ω
<
, nên
df
sẽ ngược dấu với
(
)
2
1
M
−
các kết quả
thu
ñược sẽ ngược lại với ống tăng tốc, nghĩa là khi nghĩa là
1
M
>
thì
0
df
<
, ống
t
ăng áp có tiết diện nhỏ dần (hình 6.2a); khi
1
M
<

thì
0
df
>
, ống tăng tốc có tiết
di
ện lớn dần (hình 6.2b).

Qua phân tích ta th
ấy: ñối với một ống phun nhất ñịnh (lớn dần hay nhỏ dần) thì
tu
ỳ theo tốc ñộ ở ñưu vào mà ống có thể làm việc như ống tăng tốc hay ống tăng áp.
2.6.2.4. Xác
ñịnh tốc ñộ dòng khí tại tiết diện ra của ống tăng tốc
Dòng l
ưu ñộng ñoạn nhiệt có
0
dq
=
và
kt
vdp dl
− =
, ta có:
2
2
kt
di dl d
ω
 



− = =





 

Suy ra:
2 2
2 1
1 2 12
2
kt
i i l
ω ω
−
− = =

V
ới ống tăng tốc thì thông thường
2 1
ω ω
≫
nên có thể coi
2
2
1 2

2
kt
i i l
ω
− = =
, khi ñó tốc
ñộ tại tiết diện ra là:
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 41-

(
)
2 1 2
1
2
1
1
2 2
2 1
1
kt
k
k
l i i
k p
RT
k p
ω

−
= = −
 
 
 


 

⇒ −





 
−
 
 
 


2.6.2.5. Tốc ñộ tới hạn và áp suất tới hạn
Khi l
ưu ñộng qua ống tăng tốc nhỏ dần với tốc ñộ ñầu vào nhỏ hơn âm thanh,
tốc ñộ dòng sẽ tăng dần, còn áp suất và nhiệt ñộ giảm dần ñến tiết diện nào ñó, tốc ñộ
dòng b
ằng tốc ñộ âm thanh (
k k
a

ω
=
), ta nói dòng ñạt trạng thái tới hạn, các thông số
t
ại ñó gọi là thông số tới hạn, ký hiệu là
,
, ,
k k k
v p
ω
…
. . .
T
ỷ số giữa áp suất tới hạn và áp suất ở tiết diện vào gọi là tỉ số áp suất tới hạn, ký
hi
ệu
1
k
k
p
p
β =
.
Khi dòng
ñạt trạng thái tới hạn
k k
a
ω
=
, theo công thức tốc ñộ âm thanh và từ biểu

th
ức trên, ta có:
1
2
2 1 1 2
1
2 1 2
1
k
k
k k k
k p
p v a kp v
k p
ω ω
−
 
 
 


 
= − = = =





 
−

 
 
 

Suy ra:
1
1
2
1
k
k
k
k
p
p k
β
−
 


= =




 
+

T
ừ biểu thức trên, ta thấy tỉ số áp suất tới hạn chỉ phụ thuộc vào số mũ ñoạn nhiệt

k
,
t
ức là vào bản chất của chất khí. Với khí 2 nguyên tử
1,4
k
=
thì
0,528
k
β
=
.
Khi thay
β
bởi
k
β
thì tốc ñộ tới hạn ñược xác ñịnh:
1
2 1
2 1
1
k
k
k
k
RT
k
ω β

−
 
 
= −
 
−
 

1
1
2 1 1
2 2
2 1
1 1 1
k k
k k
k k
RT RT
k k k
ω
−
+
 
 
 


⇒ = − =
 





 
− + +
 
 
 

2.6.2.6. L
ưu lượng cực ñại
L
ưu lượng của dòng lưu ñộng ñược
xác
ñịnh tại tiết diện ra
2

f
của ống:
2 2
2
f
G
v
ω
=

Khi áp su
ất tại tiết diện ra thay ñổi thì
l

ưulượng cũng thay ñổi và chỉ phụ thuộc vào
t
ỉ số áp suất
2
1
p
p
β =
. ðể tính lưu lượng lớn
nh
ất
max
G
ta lấy ñạo hàm của
G
theo
β
và
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 42-

xác ñịnh ñược lưu lượng lớn nhất khi
k
β β
=
. Nghĩa là khi tốc ñộ dòng ñạt tới tốc ñộ
âm thanh thì l
ưu ượng cũng ñạt giá trị cực ñại. Thực nghiệm cho thấy: Nếu tiếp tục

gi
ảm
β
, thì lưu lượng sẽ không tăng lên mà vẫn giữ nguyên ở giá trị
max
G
, khi ñó lưu
l
ượng cực ñại ñược tính theo các thông số tới hạn:
min
max
k
k
f
G
v
ω
=

2.7. Quá trình tiết lưu
2.7.1. ðịnh nghĩa
Quá trình ti
ết lưu là quá trình giảm áp suất mà không sinh công, khi môi chất
chuy
ển ñộng qua chỗ tiết diện bị giảm ñột ngột. Trong thực tế, khi dòng môi chất
chuyển ñộng qua van, lá chắn . . . . . những chỗ có tiết diện thu hẹp ñột ngột, trở lực sẽ
tăng ñột ngột, áp suất của dòng phía sau tiết diện sẽ nhỏ hơn trước tiết diện, sự giảm áp
su
ất này không sinh công mà nhằm khắc phục trở lực ma sát do dòng xoáy sinh ra sau
tiết diện.

Th
ực tế quá trình tiết lưu xẩy ra rất
nhanh, nên nhiệt lượng trao ñổi với môi trường
r
ất bé, vì vậy có thể coi quá trình là ñoạn nhiệt,
nhưng không thuận nghịch nên Entropi tăng.
ðộ giảm áp suất trong quá trình tiết lưu phụ
thuộc vào tính chất và các thông số của môi
chất, tốc ñộ chuyển ñộng của dòng và cấu trúc
c
ủa vật cản.
2.7.2. Tính ch
ất của quá trình tiết lưu
Khi ti
ết diện I-I cách xa tiết diện II-II,
qua quá trình tiết lưu các thông số của môi chất
sẽ thay ñổi như sau:
- Áp su
ất giảm:
2 1
- 0
p p p
∆ = <

Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 43-

- Entropi tăng:
2 1
- 0
s s s
∆ = >

- Entanpi không
ñổi:
2 1
- 0
i i i
∆ = =

- T
ốc ñộ dòng không ñổi:
2 1
0
ω ω ω
∆ = − =

2.8. Quá trình nén khí
2.8.1. Các loại máy nén
Máy nén khí là máy
ñể nén khí hoặc hơi ñến áp suất cao theo yêu cầu. Máy nén
tiêu t
ốn công ñể nâng áp suất của môi chất lên. Theo nguyên lí làm việc, có thể chia
máy nén thành hai nhóm:
+ Nhóm thứ nhất gồm máy nén piston, máy nén bánh răng, máy nén cánh gạt. Ở máy
nén piston, khí

ñược hút vào xilanh và ñược nén ñến áp suất cần thiết rồi ñược ñẩy vào
bình chứa (máy nén rôto thuộc loại này), quá trình nén xẩy ra theo từng chu kỳ. Máy
nén lo
ại này còn ñược gọi là máy nén tĩnh vì tốc ñộ của dòng khí không lớn. Máy nén
piston ñạt ñược áp suất lớn nhưng năng suất nhỏ.
+ Nhóm th
ứ hai gồm máy nén li tâm, máy nén hướng trục và máy nén êjectơ. ðối với
các máy nén nhóm này, ñể tăng áp suất của môi chất, ñầu tiên phải tăng tốc ñộ của
dòng khí nhờ lực li tâm, sau ñó thực hiện quá trình hãm dòng ñể biến ñộng năng của
dòng thành th
ế năng. Loại này có thể ñạt ñược năng suất lớn nhưng áp suất thấp.
Tuy khác nhau về cấu tạo và ñặc tính kĩ thuật, nhưng về quan ñiểm nhiệt ñộng
thì các quá trình ti
ến hành trong máy nén hoàn toàn như nhau. Sau ñây ta nghiên cứu
máy nén piston.
2.8.2. Máy nén piston m
ột cấp
2.8.2.1. Những quá trình trong máy nén piston một cấp lí tưởng
ðể ñơn giản, khi phân tích quá trình nhiệt ñộng trong máy nén, ta giả thiết:
- Toàn b
ộ thể tích xylanh là thể tích có ích, nghĩa là ñỉnh piston có thể áp sát nắp
xilanh.
- Dòng khí chuy
ển ñộng không có ma sát, nghĩa
là áp suất hút khí vào xilanh luôn bằng áp suất
môi tr
ường
1
p
và áp suất ñẩy khí vào bình chứa

luôn b
ằng áp suất khí trong bình chứa
2
p
.
Nguyên lí c
ấu tạo của máy nén piston
m
ột cấp ñược biểu diễn trên hình 6.5, gồm các
bộ phận chính: Xylanh 1, piston 2, van hút 3,
van x
ả 4, bình chứa 5. Quá trình làm của một
máy nén một cấp như sau:
Khi piston chuyển ñộng từ trái sang phải,
van 3 m
ở ra hút khí vào bình ở áp suất
1
p
, nhiệt
ñộ
1
t
, thể tích riêng
1
v
. Các thông số này không
thay
ñổi trong quá trình hút, do ñó ñây không
phải là quá trình nhiệt ñộng và ñược biễu diễn
bằng ñoạn a-1 trên ñồ thị p-v hình 6.5. Khi

piston
ở ñiểm cận phải, piston bắt ñầu chuyển
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 44-

ñộng từ phải sang trái, van hút 3 ñóng lại, khí trong xi lanh bị nén lại và áp suất bắt
ñầu tăng từ
1
p
ñến
2
p
.
Quá trình nén là quá trình nhi
ệt ñộng, có thể thực hiện ñẳng nhiệt, ñoạn nhiệt
ho
ặc ña biến ñược biểu diễn trên ñồ thị bằng các quá trình tương ứng là
1- 2
T
,
1- 2
k
,
1- 2
n
. Khi khí trong xilanh ñạt ñược áp suất
2
p

thì van xả 4 sẽ mỡ ra, khi ñược ñẩy ra
kh
ỏi xilanh vào bình chứa 5. Tương tự như quá trình hút, quá trình ñẩy cũng không
ph
ải là quá trình nhiệt ñộng, trạng thái của khí không thay ñổi và có áp suất
2
p
nhiệt
ñộ
2
t
, thể tích riêng
2
v
. Quá trình ñẩy ñược biểu diễn trên ñồ thị bằng quá trình 2-b.
2.8.2.2. Công tiêu th
ụ của máy nén một cấp lí tưởng
Nh
ư ñã phân tích ở trên quá trình hút a-1 và quá trình nạp 2-b không phải là quá
trình nhiệt ñộng, các thông số không thay ñổi, do ñó không sinh công. Như vậy công
c
ủa máy nén chính là công tiêu thụ cho quá trình nén khí 1-2. Nếu ta coi là quá trình
nén là lí tưởng, thuận nghịch thì công của quá trình nén ñược tính theo công thức:
2
1
p
kt
p
l vdp
=−

∫

+ Nếu quá trình nén là ñẳng nhiệt
1- 2
T
, nghĩa là
1
n
=
và
RT
v
p
=
, công của máy nén
s
ẽ là:
[ ]
2
2 1
1 2
1
ln ln , /
dp p p
l RT RT RT J kg
p p p
= − = − =
∫

+ N

ếu quá trình nén là ñoạn nhiệt
1- 2
k
, nghĩa là
n k
=
và
1
1
k k
pv p v
=
, công của máy
nén sẽ là:
( )
[ ]
1
1 1 2 2 1 1
1
1
2 , /
1
k
k
dp k
l v p p v p v J kg
k
p
= − =− −
−

∫

Ho
ặc:
[ ]
1
2
1 1
1
1 , /
1
k
k
k p
l p v J kg
k p
−
 
 
 


 

= − −






 
−
 
 
 

Hay:
[ ]
1
2
1
1
1 , /
1
k
k
k p
l RT J kg
k p
−
 
 
 


 

= − −






 
−
 
 
 


Có th
ể tính cách khác, từ
0
kt
dq di dl
= + =
, ta có
-
kt
dl di
=
nên
0
kt
dq di dl
= + =

hay:
1 2
kt

l i i
= −

+ N
ếu quá trình nén là ña biến, với số mũ ña biến
n
thì
1 1

n n
pv p v
=
, khi ñó
công c
ủa máy nén sẽ là:
( )
[ ]
2
1
1
1 2 2 1 1
, /
1
p
n
p
n
l v p dp p v p v J kg
n
= − =− −

−
∫

Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 45-

hoặc:
[ ]
1
2
1 1
1
1 , /
1
n
n
n p
l p v J kg
n p
−
 
 
 


 

= − −






 
−
 
 
 

ho
ặc:
[ ]
1
2
1
1
1 , /
1
n
n
n p
l RT J kg
n p
−
 
 
 



 

= − −





 
−
 
 
 

Công c
ủa máy nén ñược biểu diễn bằng diễn tích a12b trên ñồ thị p-v, phụ
thuộc vào quá trình nén. Từ ñồ thị ta thấy: nếu quá trình nén là ñẳng nhiệt thì công
máy nén tiêu tốn là nhỏ nhất. Trong thực tế, ñể máy nén tiêu tốn công ít nhất thì người
ta làm mát cho máy nén
ñể cho quá trình nén gần với quá trình ñẳng nhiệt nhất.
2.8.2.3. Nh
ược ñiểm của máy nén một cấp
Trong th
ực tế ñể tránh va ñập giữa ñỉnh piston và nắp xilanh, giữa ñỉnh piston
và nắp xilanh phải có một khe hở nhất ñịnh. Không gian khoảng hở này ñược gọi là
th
ể tích thừa Vt (Hình 6.6). Do có thể tích thừa nên sau khi ñẩy khí vào bình chứa, vẫn
còn l
ại một lượng khí có áp suất là

2
p
chứa trong thể tích thừa.
Khi piston chuy
ển ñộng từ trái sang phải, trước hết lượng khí này dãn nở ñến áp suất
1
p
theo quá trình 3-4, khi ñó van hút bắt ñầu mở ra ñể hút khí vào, do ñó lượng khí
th
ực tế hút vào xilanh là
1 4
–
V V V
=
. Như vậy năng suất của máy nén thực tế nhỏ
h
ơn năng suất của máy nén lí tưởng do có thể tích thừa. Nói cách khác, thể tích thừa
làm giảm năng suất của máy nén.

ðể ñánh giá ảnh hưởng của thể tích thừa ñến lượng khí hút vào máy nén người
ta dùng
ñại lượng hiệu suất thể tích máy nén, kí hiệu là
λ
:
1 4
1 3
1
v v
v v
λ

−
= ≤
−

Có th
ể viết lại như sau:
4 3
1 4
1 3 1 3
1
v v
v v
v v v v
λ
−
−
= = −
− −

Ta th
ấy: khi thể tích thừa
3
v
càng tăng thì hiệu suất thể tích
λ
càng giảm.
- Khi áp su
ất nén
2
p

càng cao thì lượng khí hút vào
(
)
1 4
-
V V V
=
càng giảm, tức là
λ
càng giảm và khi
2

gh
p p
=
thì
(
)
1 4
– 0
V V
=
, áp suất
gh
p
gọi là áp suất tới hạn.
ðối với máy nén một cấp tỉ số nén
2
1
p

p
β
=
không vượt quá 12.
- Khi nén
ñến áp suất cao thì nhiệt ñộ khí cao sẽ làm giảm ñộ nhớt của ñầu bôi trơn.
Các máy nén th
ực tế có :
0,7
0,9
λ
= ÷

2.8.3. Máy nén nhi
ều cấp
Do nh
ững hạn chế của máy nén một cấp nêu ở trên, trong thực tế chỉ chế tạo
máy nén m
ột cấp ñể nén khí với tỉ số nén
2
1
6 8
p
p
β
= = ÷
. Muốn nén khí ñến áp suất
cao h
ơn ta dùng máy nén nhiều cấp, giữa các cấp có làm mát trung gian khí trước khi
vào cấp nén tiếp theo.

Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 46-

2.8.3.1. Quá trình nén trong máy nén nhiều cấp
Máy nén nhi
ều cấp thực chất là gồm nhiều máy nén một cấp nối với nhau qua
bình làm mát khí. S
ơ ñồ cấu tạo và ñồ thị p-v của máy nén hai cấp ñược biễu diễn trên
hình 6.7.I, II là xilanh cấp 1 và cấp 2, B là bình làm mát trung gian.

Khi
ñược hút vào cấp I ở áp suất
1
p
, ñược nén trong xilanh I ñến áp suất
2
p
, nhiệt ñộ
c
ủa khí tăng từ
1
T
ñến
2
T
. Khi ra khỏi cấp I ñược làm mát trong bình làm mát trung
gian B, nhi
ệt ñộ khí giảm từ

2
T
xuống ñến
1
T
(bằng nhiệt ñộ khi vào xilanh cấp I). Sau
khi
ñược làm mát ở bình làm mát B, khí ñược hút vào xilanh II và ñược nén từ áp suất
3 2

p p
=
ñến áp suất
4
p
.
Các quá trình c
ủa máy nén hai cấp ñược thể hiện trên hình 6.8, bao gồm:
+ a-1 là quá trình hút khí vào xilanh I (c
ấp 1) ở áp suất
1
p
,
+ 1-2- quá trình nén khí trong xilanh I t
ừ áp suất
1
p
ñến
2
p

,
+ 2-3’ - quá trình
ñẩy khí vào bình làm mát trung gian B, nhiệt ñộ khí giảm từ

2
T
xuống ñến
2
T
,
+ 3’-3- quá trình hút khí t
ừ bình làm mát vào xilanh II (cấp 2),
+ 3-4 là quá trình nén khí trong xi lanh II t
ừ áp suất
2
p
ñến
1
p
,
+ 4-b là quá trình
ñẩy khí vào bình chứa,
Vì ñược làm mát trung gian nên thể tích khí vào cấp 2 giảm ñi một lượng
2 3
–
V V V
∆ =
, do ñó công tiêu hao giảm ñi một lượng bằng diện tích 2344’ so với
khi nén trong máy nén m
ột cấp có cùng áp suất ñầu

1
p
và áp suất cuối
4
p
.
N
ếu máy nén rất nhiều cấp và có làm mát trung gian sau mỗi cấp thì quá trình
nén s
ẽ tiến dần tới quá trình nén ñẳng nhiệt.
2.8.3.2. Ch
ọn áp suất trung gian
T
ỉ số nén trong mỗi cấp ñược chọn sao cho công tiêu hao của máy nén là nhỏ
nh
ất, nghĩa là quá trình nén tiến tới quá trình ñẳng nhiệt.
Chương 2 Các quá trình nhiệt ñộng cơ bản


- 47-

Nhiệt ñộ khí vào các cấp ñều bằng nhau và bằng
1
T
, nhiệt ñộ khí ra khỏi các cấp
ñều bằng nhau và bằng
2
T
, nghĩa là:
1 2 2 4

và
T T T T
= =

Áp su
ất khí ra khỏi cấp nén trước bằng áp suất khí vào cấp nén sau, nghĩa là:
2 3 4 5
và
p p p p
= =

Trong tr
ường hợp tổng quát, ta coi quá trình nén là ña biến và số mũ ña biến ở
các c
ấp ñều như nhau, ta có:
Ở cấp I:
1
2 2
1 1
n
n
p T
p T
−
 



=






 

ở cấp II:
1
4 4
3 3
n
n
p T
p T
−
 



=





 

mà:
1 2

T T
=
và
2 4

T T
=
, do ñó ta suy ra tỷ số nén của mỗi cấp là:
2 4
1 3
p p
p p
β = =

hay:
2
2 4 4
1 3 1
p p p
p p p
β = =

T
ổng quát, nếu máy nén có
m
cấp thì:
c
m
d
p

p
β =

2.8.3.3. Công tiêu hao c
ủa máy nén
Công c
ủa máy nén nhiều cấp bằng tổng công của các cấp. Với hai cấp ta có:
1 2

mn
l l l
= +

Trong
ñó:
1
2
1 1
1
1
1
n
n
n p
l RT
n p
−
 
 
 



 

= −





 
−
 
 
 

1
4
2 3
3
1
1
n
n
n p
l RT
n p
−
 
 

 


 

= −





 
−
 
 
 

Mà
1 3
T T
=
và
2 4
1 2 1 2
1 3
, ê à 2 2
mn
p p
n n l l v l l l
p p

β = = = = =

T
ương tự, nếu máy nén có m cấp thì công tiêu tốn của nó sẽ là:
( )
1
1 1
1
1
n
n
mn
n
l ml m RT
n
β
−
 
= = −
 
 
−
 