nhiet dong luc hoc ky thuat nguyen minh phu nhiet dong luc hoc ky thuat nguyen minh phu cuuduongthancong com

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1. KHÁI QUÁT
Mục tiêu của nhiệt động lực học là nghiên cứu những qui luật về biến đổi
năng lượng giữa nhiệt năng và cơ năng thông qua hệ nhiệt động.

Nhiệt
năng

Hệ
nhiệt
động

Cơ
năng

Hệ nhiệt động gồm có ba yếu tố cơ bản: nguồn nóng, nguồn lạnh và chất
môi giới. Thiếu 1 trong 3 yếu tố đó thì hệ thống sẽ khơng làm việc được.
Khái niệm nóng và lạnh chỉ có ý nghĩa tương đối trong từng hệ thống nhiệt
động. Nếu xét trong cùng một hệ thì nguồn nào có nhiệt độ nhỏ hơn sẽ là nguồn
lạnh, nguồn nào có nhiệt độ lớn hơn là nguồn nóng.
Chất mơi giới là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng
lượng trong các hệ nhiệt động. Khi hệ thống hoạt động trạng thái của chất mơi giới
phải có sự thay đổi, chính sự thay đổi trạng thái của chất môi giới làm xuất hiện sự
thay đổi công và nhiệt lượng giữa chất môi giới và mơi trường, hoặc ngược lại,

chính cơng và nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường làm cho trạng
thái của chất mơi giới bị thay đổi.
Ví dụ:
Động cơ đốt trong

Nguồn nóng
Xylanh – píttơng

Máy lạnh

Thiết bị ngưng tụ

Nguồn lạnh
Khơng khí bên
ngồi
Thiết bị bay hơi

Nhà máy nhiệt
điện

Lị hơi

Bình ngưng

Chất mơi giới
Sản phẩm cháy
Môi chất lạnh
(NH3, frêon)
Nước – hơi nước

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

-1 />

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Chất
môi giới

Hệ
nhiệt
động

Nguồn
nóng

Nguồ
n lạnh
Có 4 loại hệ nhiệt động:

Hệ nhiệt
động

Hệ hở: Có trao
đổi chất với môi
trường

Hệ kín: Không
trao đổi chất với
môi trường

Hệ đoạn nhiệt:
Không trao đổi
nhiệt giữa chất
môi giới và môi
trường

Các loại máy nhiệt được chia thành hai loại:
1. Động cơ nhiệt: chất môi giới sẽ nhận nhiệt Q1 từ
nguồn nóng giãn nở sinh cơng W và nhả nhiệt Q2 cho
nguồn lạnh. Q1 = |Q2| + W
Hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt:

K

W
Q1

Q1

Q2
Q1

1

Hệ cô lập: chất môi
giới và môi trường

không có bất kỳ sự
trao đổi năng lượng
nào

NGUỒN NÓNG

Q1
ĐỘNG CƠ NHIỆT

W

Q2
Q1

NGUỒN LẠNH

Q2

2. Máy lạnh, bơm nhiệt: chất mơi giới nhận cơng W từ
CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

-2 />

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

bên ngồi để vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn lạnh Q2 đến nguồn nóng Q1.
|Q1| = Q2 + |W|

Để đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt, máy lạnh người ta
dùng:
-

Hệ số làm lạnh H

-

Hệ số làm nóng M

Q2
W
Q1
W

Q2
Q1 Q 2

NGUỒN NÓNG

Q1
MÁY LẠNH,
BƠM NHIỆT

Q1
Q1 Q 2

W

NGUỒN LẠNH

2. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI

Q2

Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái chất môi giới
Các thông số trạng thái gồm: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng (hay khối
lượng riêng), nội năng, entanpi và entrôpi.
Trong đó nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng là các thông số trạng thái cơ
bản (vì đo được). Nội năng, entanpi và entrôpi gọi là thông số dẫn suất.
2.1. NHIỆT ĐỘ T
Nhiệt độ là một thông số trạng thái thể hiện mức độ nóng lạnh của vật,
dụng cụ đo nhiệt độ gọi là nhiệt kế.
Có 4 loại thang đo nhiệt độ: theo hệ SI có thang nhiệt độ Celcius và
Kelvin, theo hệ English có thang nhiệt độ Fahrenheit và Rankine. Trong đó
Kelvin và Rankine là các thang nhiệt độ tuyệt đối.

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

-3 />

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Thang nhiệt độ

Hệ SI

Celcius (oC)

-

Hệ English

Kelvin (K)
Nhiệt độ
tuyệt đối

Fahrenheit (oF)

Rankine (R)
Nhiệt độ
tuyệt đối

Thang nhiệt độ bách phân, còn gọi là thang nhiệt độ Celcius, trên cơ
sở ở áp suất tiêu chuẩn p = 1,013bar nước đá đang tan ở 0oC và nước
sôi ở 100oC, trong khoảng này chia thành 100 vạch và mổi vạch là
1oC

-

Thang đo nhiệt độ tuyệt đối Kelvin chọn nước đá đang ta là 273K và
nước sôi là 373K, độ chênh giữa oC và K được chọn bằng nhau.

-

Thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine lấy điểm không trùng với thang
nhiệt độ tuyệt đối Kelvin. Độ chênh nhiệt độ giữa điểm sôi và điểm

đông đặc là 180 đơn vị.

-

Thang nhiệt độ Fahrenheit: ở áp suất tiêu chuẩn chọn nước đá đang
tan là 32oF và nước sôi là 212oF.

Lưu ý: chỉ có nhiệt độ tuyệt đối mới là thông số trạng thái.

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

-4 />

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật
o

C

K

o

o

F

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

R

100

373

212

671,67

Điểm nước sôi

0

273

32

491,67

Điểm nước đông đặc

-273

0

-459,67

0

Điểm không tuyệt đối

Quan hệ giữa các thang đo;
t(oC) = T(K) - 273
T(R) = 1,8T(K)
t(oF) = T(R) – 459,67
t(oC) =

5 o
(t F 32 )
9

't( o C) 'T(K)

't( o F) 'T(R)
2.2. ÁP SUẤT
p suất là lực tác động lên một đơn vị diện tích bề mặt theo phương
pháp tuyến với bề mặt đó.
Có 4 loại áp suất:
-

p suất khí quyển pa

- p suất dư pd
- p suất chân không pck
CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHUÙ
CuuDuongThanCong.com

-5 />

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

- p suất tuyệt đối ptđ

pd

ptđ
pa
pd

pa

pa

ptđ=0

ptđ
Chân không tuyệt đối

Khi áp suất của môi trường đang khảo sát lớn hơn áp suất khí quyển ta
có khái niệm áp suất dư pd = ptđ - pa
Khi áp suất của môi trường đang khảo sát nhỏ hơn áp suất khí quyển ta
có khái niệm áp suất chân không pck = pa - ptđ
Lưu ý: chỉ có áp suất tuyệt đối mới là thông số trạng thái.
2.3. THỂ TÍCH RIÊNG VÀ KHỐI LƯNG RIÊNG
Thể tích riêng là thể tích ứng với một đơn vị khối lượng
Gọi V là thể tích, G là khối lượng thì thể tích riêng được tính:

v

V
G

Khối lượng riêng U

1
v

G
V

3. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG
Khí lý tưởng là khí có:
-

Thể tích bản thân các phân tử bằng không.

-

Lực tương tác giữa các phân tử bằng không.

Trong thực tế không có một chất khí nào có đầy đủ các tính chất của khí
lý tưởng. Khái niệm khí lý tưởng để giải quyết các bài toán nhiệt động có liên

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

-6 />

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

quan đến các chất môi giới có tính chất gần giống khí lý tưởng. Ở trạng thái
thường gặp có thể xen oxy, nitơ, argon, helium, hydro, hơi nước trong không khí
ẩm, … là khí lý tưởng.
Phương trình trạng thái khí lý tưởng:
pV = GRT hay pv = RT
Trong đó:
p- áp suất tuyệt đối của chất khí, N/m2 (=Pa)
V- thể tích của khối chất khí, m3
G- khối lượng của khối chất khí, kg
R- hằng số chất khí. R
P

8314
, J/kg.K
P

phân tử lượng của chất khí, kg/kmol

T- nhiệt độ tuyệt đối, K
v- thể tích riêng, m3/kg

4. HỖN HP KHÍ LÝ TƯỞNG
Là sự hòa trộn giữa hai hay nhiều khí lý tưởng theo kiểu cơ học, không
xảy ra phản ứng hóa học. Hỗn hợp khí lý tưởng cũng là khí lý tưởng.
4.1. ĐỊNH LUẬT GIBBS- DALTON

V, T
pA
p, V, T
x
x

x

V, T
x
x

x

pB

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

-7 />

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Khi mỗi thành phần chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp và ở điều kiện
nhiệt độ của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp thì áp suất của hỗn hợp bằng tổng
các phân áp suất của các thành phần
n

p

¦ pi
i 1

p- áp suất hỗn hợp
pi- phân áp suất (áp suất riêng phần) cùa thành phần thứ i
4.2. ĐỊNH LUẬT AMAGAT

p, T
VA
p, V, T
x
x

x

p, T
x
x VB
x

Thể tích của hỗn hợp bằng tổng các thể tích riêng phần của các thành
phần khi các thành phần đó ở điều kiện áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp.
n

V

¦ Vi
i 1

V- thể tích hỗn hợp
Vi- thể tích riêng phần (phân thể tích) của thành phần thứ i
4.3. THÀNH PHẦN HỖN HP
a) Thành phần khối lượng

gi

¦ gi

Gi
G

Gi
¦ Gi
1

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHUÙ
CuuDuongThanCong.com

-8 />

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

G- khối lượng hỗn hợp
Gi- khối lượng thành phần thứ i
gi- thành phần khối lượng
b) Thành phần thể tích

ri

Vi
V

¦ ri

Vi
¦ Vi

1

V- thể tích hỗn hợp
Vi- thể tích riêng phần
gi- thành phần thể tích
4.4. PHÂN TỬ LƯNG VÀØ HẰNG SỐ CHẤT KHÍ CỦA HỖN HP
-

Phân tử lượng của hổn hợp:

P hh

-

1
n
g
¦ Pi
i 1 i

n

¦ ri P i
i 1

Hằng số chất khí R

8314
P hh

4.5. NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA HỖN HP KHÍ LÝ TƯỞNG
Là nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho một đơn vị (khối lượng, thể tích,
kmol) chất khí tăng lên một độ theo một quá trình nào đó.
Trong nhiệt động lực học ta quan tâm đến hai loại nhiệt dung riêng là:
n

+ Nhiệt dung riêng đẳng áp c p

¦ g i c pi [kJ/kg.K]
i 1

n

+ Nhiệt dung riêng đẳng tích c v

¦ g i cvi [kJ/kg.K]
i 1

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

CuuDuongThanCong.com

-9 />

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

(2)

(1)
v = const

p = const

m = 1kg

m = 1kg

'T 1K

'T 1K

cv = 3,12kJ/kg.K

cp = 5,2kJ/kg.K

3,12kJ

5,2kJ

Minh họa nhiệt dung riêng đẳng tích
và đẳng áp của hêli

Nhiệt dung riêng của các khí lý tưởng
kcal/kmol.K

kJ/kmol.K

Pcv

Pcp

Pcv

Pcp

k

Khí 1 nguyên tử
(Khí trơ: Ar, Xe, He, …)

3

5

12,6

20,9

1,66

Khí 2 nguyên tử
(Không khí, O2, N2, CO, H2, …)

5

7

20,9

29,3

1,4

Khí 3 nguyên tử trở lên
(CO2, CmHn, …)

7

9

29,3

37

1,3

Kc p

7
kcal / kg
44

Khí lý tưởng

VD: Khí CO2
Nhiệt dung riêng đẳng tích: c p
Nhiệt dung riêng đẳng áp: c v

K

Kc v
K

9
kcal / kg
44

29,3
kJ / kg
44

37
kJ / kg
44

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

-10 />

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

TOÀN CẢNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT
CHẤT THUẦN KHIẾT

TB ĐỘNG LỰC HƠI NƯỚC

KHÍ LÝ TƯỞNG

LƯU ĐỘNG

ĐC ĐỐT TRONG

TUABIN KHÍ

ĐỘNG CƠ NHIỆT

NHIỆT
NĂNG

MÁY NHIỆT

CƠ
NĂNG

MÁY LẠNH,

BƠM NHIỆT

QUÁ TRÌNH NÉN
KHÍ VÀ HƠI

CHẤT THUẦN KHIẾT

TIẾT LƯU

KHÔNG KHÍ ẨM

::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW::

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

-11 />
::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW::

::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW::

::THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW:: THE FIRST LAW:: THE SECOND LAW::


Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 10: LƯU ĐỘNG VÀ TIẾT LƯU

CHƯƠNG 10

LƯU ĐỘNG VÀ TIẾT LƯU

1. LƯU ĐỘNG
1.1 KHÁI NIỆM
Lưu động là sự chuyển động của dòng môi chất qua các ống đặc biệt (ống
lớn dần, ống nhỏ dần, ống laval) để đạt mục tiêu kỹ thuật. Trong thực tế, người ta
dùng rộng rãi quá trình lưu động của dịng chất mơi giới qua các ống tăng tốc để
tăng tốc độ của nó lên trước khi đưa vào các thiết bị nhằm biến đổi động năng của
nó thành cơng có ích. Ống tăng tốc lavan thường gặp trong tầng cánh tĩnh cũa
tuabin hơi và tuabin khí, cịn ống tăng áp thường gặp trong máy nén tuabin và máy
nén ly tâm.
Các giả thiết:
1) Quá trình lưu động là quá trình đoạn nhiệt
Do tốc độ lưu chất qua các ống tương đối lớn, chiều dài ống tương
đối ngắn nên thời gian lưu động khá ngắn do vậy có thể xem như
khơng có sự trao đổi nhiệt nào giữa lưu chất và môi trường.
2) Tốc độ của lưu chất trên mọi điểm của cùng một tiết diện ngang của ống
đều bằng nhau và bằng tốc độ trung bình trong tiết diện đó.
3) Lưu lượng khối lượng của lưu chất qua mọi tiết diện của ống đều bằng
nhau và không đồi theo thời gian:

G

f1Z1
v1

f2 Z 2
v2

hay G U1f1Z1

const
U 2 f2 Z 2

const

Một số khái niệm:
-

Tốc độ âm thanh a: đối với khí lưu động đoạn nhiệt thuận nghịch thì:

a
-

k

p
U

kpv

kRT

Số Mach M:

-1-

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

CuuDuongThanCong.com

/>

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

M

CHƯƠNG 10: LƯU ĐỘNG VÀ TIẾT LƯU

Z
a

1.2 MỘT SỐ QUAN HỆ CƠ BẢN
1. p suất và tốc độ: ZdZ = – vdp
Hay

dZ2
2

Hay

Z22
2

vdp
Z12
2

di

i1 i 2
Z1
i1

Đối với khí lý tưởng

Z22
2

Z12
2

Hay i1 +

Z2
i2

Z1
i1

Z2
i2

c p (T1 T2 )
Z12
2

i2 +

Z 22

. Đối với dòng lưu động thông thường i = u + pv trong đó
2

chúng ta đã bỏ qua thành phần động năng và thế năng. Đối với dòng lưu động
tốc độ cao, thế năng của lưu chất vẫn không đáng kể nhưng động năng thì
không. Kết hợp thành phần động năng và enthalpy thành một thông số ký hiệu
là i0 (stagnation enthalpy)
i0 = i +

Z2
2

2. Tốc độ và khối lượng riêng:

dU
U

M2

dZ
Z

-2-

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

CuuDuongThanCong.com

/>

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 10: LƯU ĐỘNG VÀ TIẾT LƯU

3. Hình dạng ống và các thông số khác:
M<1

M>1

Ống nhỏ

Ống lớn

Ống nhỏ

Ống lớn

dần

dần

dần

dần

Tăng

Giảm

Giảm

Tăng

Giảm

Tăng

Tăng

Giảm

Tăng

Giảm

Giảm

Tăng

Giảm

Tăng

Tăng

Giảm

Tốc độ

df

f

(M 2 1)

dZ
Z

p suất

(M 2 1)

dp
p

kM 2

df
f

Thể tích riêng

(M 2 1)

dv
v

M2

df
f

Nhiệt độ

(M 2 1)

dT
T

M 2 (k 1)

df
f

Như vậy đối với một ống có hình dạng xác định ta không thể kết luận
ngay đó là ống tăng tốc hay tăng áp mà cần phải khảo sát kỹ giá trị tốc độ của
dòng môi chất ở cửa vào ống Z1 và tốc độ âm thanh ở môi trường tương ứng
khi đó mới có thể kết luận được đặc tính của ống.
Bài toán về lưu động trong thực tế kỹ thuật thường là bài toán về ống
tăng tốc để sử dụng động năng của nó vào các mục đích khác nhau. Sau đây
chúng ta sẽ tìm hiểu về ống tăng tốc.
1.3 ỐNG TĂNG TỐC
Trong thực tế thường gặp các dòng lưu động có vận tốc vào ống nhỏ hơn
tốc độ âm thanh (M < 1) do đó theo bảng trên thì dùng ống nhỏ dần. Các ký
-3-

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

CuuDuongThanCong.com

/>

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 10: LƯU ĐỘNG VÀ TIẾT LƯU

hiệu sau dùng chỉ số 1 ứng với thông số ở cửa vào ống, chỉ số 2 ứng với thông
số ở cửa ra ống
1.3.1 Ống tăng tốc nhỏ dần

1

2

Z1 < a
p1

Z1 < Z2 = a
p2 < p1

a) Tốc độ ở cửa ra Z 2 (theo mục 1.2)
Đối với hơi nước Z2

2(i1 i 2 ) Z12

Thông thường Z1 rất bé so với Z 2 nên Z2
Đối với khí lyự tửụỷng Z2

2(i1 i 2 )

ê

2k
p1v1 ô1
ô
k 1
ơ

2c p (T1 T2 )

Đ p2 Ã
ăă áá
â p1 ạ

k 1
k


ằ
ằ
ẳ

b) Lửu lửụùng qua ống
G=

f2 Z 2
v2

c) Trạng thái tới hạn
Là trạng thái mà tốc độ ở cửa ra với tới tốc độ âm thanh: Z 2 = Zth = a
khi đó áp suất p2 của lưu chất ở cửa ra đạt giá trị nhỏ nhất pth. Đặt: E

p th
gọi
p1

là tỉ số áp suất ở trạng thái tới hạn.
k

§ 2 ·k
Đối với khí lyự tửụỷng E ă
á
â k 1ạ

1

(xem chửựng minh trong TL)

-4-

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

CuuDuongThanCong.com

/>

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 10: LƯU ĐỘNG VÀ TIẾT LƯU

Khí lý tưởng 1 nguyên tử: E = 0,484
Khí lý tưởng 2 nguyên tử: E = 0,528

Khí lý tưởng 3 nguyên tử trở lên và hơi quá nhiệt: E = 0,546
Hơi nước bão hoà: E = 0,577
Khi tốc độ đạt đến trạng thái tới hạn (lớn nhất) thì lưu lượng của dòng môi chất
đạt giá trị lớn nhất Gmax
Như vậy khi tính toán cần phải so sánh tỉ số áp suất

p2
và E :
p1

i.

p2
> E Ÿ Z 2 < Zth , G < Gmax
p1

ii.

p2
= E Ÿ Z 2 = Zth , G = Gmax, p2 = pth = E p1
p1

Toỏc ủoọ tụựi haùn:
k 1
ê

2k
p1 v1 ô1 E k ằ
k 1
ơ

ẳ

ẹoỏi vụựi khớ lyự tửụỷng Zth
ẹoỏi vụựi hụi nửụực Zth

2(i1 i th ) trong đó ith là entanpi của hơi nước

ứng với áp suất tới hạn pth
Lưu lượng lớn nhất Gmax =

f2 Z th
v th

trong đó ith và vth xác định theo sth = s1 và pth = E p1

-5-

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

CuuDuongThanCong.com

/>

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 10: LƯU ĐỘNG VÀ TIẾT LƯU

Gmax
1

Z1 < a
p1

2

Z2 = Zth = a
p2 = pth = ßp1

1.3.2 Ống tăng tốc hỗn hợp (ống tăng tốc laval)
Ống tăng tốc nhỏ dần chỉ có thể làm cho tốc độ lưu chất từ trạng thái ban
đầu Z1 < a đến trị số tối đa Z 2 = Zth = a. Theo bảng trên, khi Z > a thì để ống
làm chức năng tăng tốc nó phải có hình dạng lớn dần. Như vậy ống tăng tốc
Laval là hỗn hợp của ống nhỏ dần và ống lớn dần để tăng tốc độ từ Z 2 > a. Để
làm được điều này thì phải thoả mãn 2 điều kiện sau:
i. p suất môi trường sau ống p’2 phải nhỏ hơn áp suất tới hạn pth:
p’2 d p2 < pth (vì nếu p’2 > pth hay p2 t p’2 > pth: tăng áp, vô lý)
ii. ng làm việc ở điều kiện lưu lượng lớn nhất (không thể điều chỉnh lưu
lượng) để đạt trạng thái tới hạn.
p'2

Gmax
1

Z1 < a
p1

2
Zth = a
pth = ßp1

Z2 > a
p'2 = p2
-6-

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

CuuDuongThanCong.com

/>

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

CHƯƠNG 10: LƯU ĐỘNG VÀ TIẾT LƯU

fmin Zth
, fmin: tiết diện tại cổ ống
v th

Lưu lượng Gmax =
Tốc độ ở cửa ra

ª
2k
p1 v1 «1
«
k 1
¬

Đối với khí lý tưởng Z2

Đối với hơi nước Z2

Đ p2 Ã
ăă áá
â p1 ạ

k 1
k


ằ
ằ
ẳ

2(i1 i 2 )

2. TIẾT LƯU
Tiết lưu là quá trình dòng chất môi giới đi qua một tiết diện bị co hẹp
đột ngột. Trong thực tế khi dòng chất môi giới đi qua các van trên đường ống,
các ống mao dẫn hay van tiết lưu trong hệ thống lạnh … thì có thể xem như nó
đã thực hiện quá trình tiết lưu.
Đặc điểm của quá trình tiết lưu
-

Xem là quá trình đoạn nhiệt không thuận nghịch, 's ! 0

Gq
; dấu bằng ứng với quá trình thuận nghịch)
1 T
2

(Vì 's s 2
-

s1 t ³

p suất giảm xuống do xuất hiện những dòng xoáy và ma sát rất
mạnh, không sinh công.

-

Biểu diển quá trình tiết lưu bằng nét đứt đoạn vì là quá trình không
thuận nghịch.

-

Entanpi của môi chất trước và sau tiết lưu có giá trị bằng nhau: i1 = i2

-7-

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

CuuDuongThanCong.com

/>

Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật

p1
i1

ω1

i1

p1

ω1

CHƯƠNG 10: LƯU ĐỘNG VÀ TIẾT LƯU

p2
i2
ω2

i2

p2

ω2

-8-

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

CuuDuongThanCong.com

/>

Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật

CHƯƠNG 11: CHU TRÌNH MÁY LẠNH

CHƯƠNG 11

CHU TRÌNH MÁY LẠNH

1. KHÁI QT
Máy lạnh dùng để thực hiện nhận nhiệt của vật (để làm lạnh vật) và nhả
nhiệt cho môi trường (để giải nhiệt thiết bị). Theo định luật nhiệt động thứ hai thì
nhiệt khơng thể tự phát truyền từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ cao, muốn thực hiện
được quá trình truyền nhiệt nhiệt lượng từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ cao thì phải
tiêu tốn một lượng cơng. Vì thế máy lạnh thuộc loại chu trình nhiệt động ngược
chiều.
Gọi

q0 là nhiệt lượng nhận vào từ vật
qk là nhiệt lượng thải ra môi trường xunh quanh
w là công cấp cho máy lạnh

Theo định luật bảo tồn năng lượng, ta ln có:
qk = q 0 + w
Để đánh giá hiệu quả làm lạnh người ta dùng tỷ số giữa lượng nhiệt lấy được và
công tiêu hao cấp cho máy lạnh:

H

q0
w

q0

qk

q0

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

-1 />

Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật

CHƯƠNG 11: CHU TRÌNH MÁY LẠNH

2. CHU TRÌNH MÁY LẠNH NÉN HƠI 1 CẤP
2.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ ĐỒ THỊ
qk

I

2

2

pk

IV

II
w
2

1

p0
III

q0

T
qk

3

lgp

2

3

w
4

qk

2
w

1
q0

4

1
q0
i

S

: Các thiết bị chính:
I_ Thiết bị ngưng tụ: Thực hiện q trình ngưng tụ từ trạng thái hơi quá
nhiệt 2 sau khi nén để biến thành lỏng bão hòa ở trạng thái 3; quá trình này là quá
trình đẳng áp ở áp suất pk.
Nhiệt lượng thải ra mơi trường trong q trình ngưng tụ qk được thực hiện nhờ
chất tải nhiệt là không khí hoặc nước.
Giải nhiệt bằng khơng khí Ỉ gọi là dàn ngưng hay dàn nóng.
Giải nhiệt bằng nước Ỉ gọi là bình ngưng.
II_ Van tiết lưu: Làm giảm đột ngột lỏng bảo hịa có áp suất cao ở trạng
thái 3 thành hơi bão hịa ẩm có áp suất thấp ở trạng thái 4. Quá trình này gọi là quá
trình tiết lưu i3 = i4
CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

-2 />

Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật

CHƯƠNG 11: CHU TRÌNH MÁY LẠNH

III_ Thiết bị bốc hơi: Mơi chất lạnh trong thiết bị bốc hơi có áp suất thấp sẽ
sơi và lấy nhiệt từ phỏng lạnh có chứa sản phẩm, quá trình này là q trình sơi
đẳng áp ở áp suất p0.

Làm lạnh khơng khí Ỉ gọi là dàn bốc hơi hay dàn lạnh.
Làm lạnh nước Ỉ gọi là bình bốc hơi.
IV_ Máy nén: Làm nhiệm vụ nén hơi có áp suất thấp ở trạng thái 1 thành
hơi quá nhiệt ở trạng thái 2 có áp suất cao và tiêu hao 1 lượng cơng w, q trình
này là q trình nén đoạn nhiệt.
Môi chất lạnh (tác nhân lạnh, gas lạnh): là chất môi giới sử dụng trong máy
lạnh để thu nhiệt từ môi trường cần làm lạnh và thải nhiệt ra mơi trường xung
quanh. Mơi chất lạnh tuần hồn trong hệ thống lạnh nhờ máy nén.

: Qui định về cách ký hiệu môi chất lạnh freon:
R XYZ
R: viết tắt của chữ Refrigerant
X = số nguyên tử cácbon – 1 (nếu X = 0 Ỉ khỏi ghi)
Y = số ngtử hidrơ + 1
Z = số ngtử flo
Còn lại là số Clo = số liên kết C – (số F + số H)
Ví dụ 1: R22 hay R022
X = 0 Ỉ số C = 1
Y = 2 Ỉ số H = 1
Z = 2 Ỉ số F = 2
Số Clo = 4– (2 +1) = 1
vậy R22 có cơng thức phân tử là CHClF2
Ví dụ 2: Tìm ký hiệu của mơi chất có cơng thức phân tử C2H2F4
X=2–1=1
Y=2+1=3
X=4

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

-3 />

Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật

CHƯƠNG 11: CHU TRÌNH MÁY LẠNH

Ỉ R134a (các đồng phân có thêm chữ a, b để phân biệt)
Đối với các môi chất lạnh vô cơ: vì cơng thức hóa học của các chất vơ cơ
đơn giản nên ít khi sử dụng ký hiệu. Tuy nhiên có một số nước quy định kí hiệu
cho các môi chất vô cơ như R717 là NH3, R718 là H2O, R729 là khơng khí …
Tác nhân lạnh và tầng Ozone: Dưới tác động của các tia bức xạ mặt trời,
các khí CFC, HCFC bị phân hủy để phóng thích các nguyên tử Clo tự do, các
nguyên tử Clo tự do lại có khả năng phá vỡ các mối liên kết của phân tử ozone để
tạo nên khí oxi và Clo.
2.2. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
Môi chất lạnh sau khi ra khỏi TBNT ở trạng thái 3 được đưa vào van tiết
lưu để giảm áp suất, nhiệt độ và ra khỏi van tiết lưu ở trạng thái 4, sau đó nó được
đưa vào TBBH để nhận nhiệt và biến đổi đến trạng thái 1, hơi ở trạng thái 1 được
hút vào máy nén và được nén lên đến trạng thái 2, quá trình ngưng tụ ở TBNT sẽ
làm hơi biến đổi từ trạng thái 2 đến 4 và chu trình cứ thế lặp đi lặp lại.
Gọi GR là lưu lượng tác nhân lạnh tuần hồn trong máy (kg/s);
Cơng cần cấp cho máy nén:
W = GR(i2 – i1), kW
Năng suất lạnh của máy lạnh:
Q0 = GR(i1 – i4), kW
Năng suất giải nhiệt của TBNT
Qk = GR(i2 – i3), kW
Hệ số làm lạnh (hay COP: coefficient of perfomance):

H

Q0
W

Q0
Qk Q0

i1 i 4
i 2 i1

Trên các máy lạnh của Mỹ thường ghi tỷ số hiệu quả năng lượng EER (Energy
Efficiency Rating). EER là lượng nhiệt lấy từ khơng gian cần làm lạnh tính bằng
Btu (British Thermal Unit) trên 1Wh đện năng tiêu thụ:

EER

Q 0 [Btu]
W[Wh ]

EER = 3,412COP

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

-4 />

Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật

CHƯƠNG 11: CHU TRÌNH MÁY LẠNH

3. CHU TRÌNH MÁY LẠNH NÉN HƠI 1 CẤP MỞ RỘNG
3.1. CHU TRÌNH QUÁ LẠNH

T
lgp
2

Δtql

3

3

2
3'

1
1

4

4

Δq0

Δq0

i

S

Định nghĩa: Gọi là chu trình q lạnh khi nhiệt độ mơi chất lỏng trước khi vào van
tiết lưu nhỏ hơn nhiệt độ ngưng tụ.
Mục đích: Năng suất lạnh riêng tăng.
Biện pháp quá lạnh:
Bố trí thêm thiết bị quá lạnh lỏng sau thiết bị ngưng tụ.
Quá lạnh ngay trong thiết bị ngưng tụ
Do lỏng môi chất tỏa nhiệt ra môi trường trên đoạn ống từ thiết bị ngưng tụ
đến thiết bị tiết lưu.
Về mặt tính tốn nhiệt động thì tính giống như chu trình đơn giản, trong đó các
thơng số điểm 3’ tra theo bảng bão hòa từ nhiệt độ t3’ (do điểm 3’ nằm rất gần
đường lỏng bão hịa).

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

-5 />

Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật

CHƯƠNG 11: CHU TRÌNH MÁY LẠNH

3.2. CHU TRÌNH Q NHIỆT
T
lgp

2
qk

3

3

w

qk

2

1'
4

q0

1

1

Δtqn

4

w
1'

q0

S

i

Định nghĩa: Gọi là chu trình quá nhiệt khi nhiệt độ hơi hút về máy nén lớn hơn
nhiệt độ bay hơi.
Mục đích: để đảm bảo máy nén không hút lẫn lỏng.
Biện pháp quá nhiệt:
Sử dụng van tiết lưu nhiệt
Do tải lạnh quá lớn và thiếu lỏng cấp cho thiết bị bay hơi.
Do tổn thất lạnh trên đường ống từ thiết bị bay hơi đến máy nén.
3.2. CHU TRÌNH HỒI NHIỆT
Là chu trình vừa q lạnh vừa quá nhiệt bằng cách dùng bình hồi nhiệt
Phương trình cân bằng năng lượng tại bình hồi nhiệt: i1’ – i1 = i3 – i3’

T
lgp

2
3

3

2
3'
1

4

1'
4

1'

i

S

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
CuuDuongThanCong.com

1

-6 />