Cơ sở lý thuyết và ứng dụng của phương pháp phân tích exergy để đánh giá hiệu quả của các hệ thống nhiệt – lạnh

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................................i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................................. ii
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................v
CHƢƠNG 1 – HÀM MỤC TIÊU CỦA BÀI TOÁN TỐI ƢU HÓA KINH TẾ - KỸ
THUẬT ...............................................................................................................................3
1.1. Các phƣơng pháp phân tích chất lƣợng và đánh giá hiệu quả các
quá trình năng lƣợng .................................................................................................... 3
1.2. Những bất cập của bài toán phân tích chất lƣợng và đánh giá
hiệu quả các hệ thống và quá trình biến đổi năng lƣợng .............................................. 4
1.3. Hàm mục tiêu của bài toán tối ƣu hóa kinh tế - kỹ thuật ............................................. 6
CHƢƠNG 2 – TỔNG QUAN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỀ TÀI LUẬN ÁN .................................10
2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nƣớc ...................................................... 10
2.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ..............................................................10
2.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ................................................................12
2.2. Xác định đề tài luận án ............................................................................................... 13
2.2.1. Xác định đề tài nghiên cứu ..........................................................................13
2.2.2. Đối tƣợng nghiên cứu..................................................................................13
2.2.3. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................13
2.2.4. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................13
2.2.5. Phạm vi nghiên cứu .....................................................................................14
CHƢƠNG 3 – NĂNG LƢỢNG VÀ KHẢ NĂNG BIẾN ĐỔI CỦA NĂNG LƢỢNG ......15
3.1. Các dạng năng lƣợng và khả năng biến đổi của nó trong các quá
trình năng lƣợng ......................................................................................................... 15
3.1.1. Các dạng năng lƣợng ...................................................................................15
3.1.2. Khả năng biến đổi của năng lƣợng ..............................................................16
3.2. Cân bằng số lƣợng năng lƣợng................................................................................... 18
3.3. Hiệu quả biến đổi năng lƣợng .................................................................................... 21

3.4. Sự xuống cấp của năng lƣợng trong quá trình truyền và biến đổi ............................. 22
CHƢƠNG 4 – LÝ THUYẾT VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP EXERGY ..26
4.1. Sơ lƣợc lịch sử phát triển của phƣơng pháp exergy ................................................... 26
4.2. Exergy và các dạng biểu hiện của nó trong các quá trình truyền
và biến đổi năng lƣợng ............................................................................................... 28

1


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
4.2.1. Exergy của hệ kín ........................................................................................28
4.2.2. Exergy của hệ thống hở ...............................................................................28
4.2.3. Exergy của môi chất ....................................................................................29
4.2.4. Exergy của nhiệt ..........................................................................................31
4.3. Cân bằng exergy – cân bằng tổng hợp số lƣợng và chất lƣợng
năng lƣợng .................................................................................................................. 34
4.3.1. Cân bằng exergy ..........................................................................................34
4.3.2. Hiệu suất exergy ..........................................................................................39
4.3.3. Biểu diễn cân bằng exergy ..........................................................................39
4.4. Nhận xét chung về lý thuyết và phƣơng pháp exergy ................................................ 42
4.4.1. Khái niệm, thuật ngữ và ký hiệu .................................................................42
4.4.2. Ứng dụng phƣơng pháp exergy ...................................................................44
CHƢƠNG 5 – NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP EXERGY .......................45
5.1. Một số quá trình biến đổi exergy thành nhiệt năng .................................................... 45
5.1.1. Gia nhiệt bằng cơ năng và điện năng ..........................................................45
5.1.2. Gia nhiệt và làm lạnh bằng nhiệt năng ........................................................49
5.2. Phân tích exergy hệ thống bơm nhiệt máy nén .......................................................... 53
5.2.1. Phân tích năng lƣợng và exergy ..................................................................55
5.2.2. Kết quả và thảo luận ....................................................................................58
5.3. Nhận xét chung chƣơng 5........................................................................................... 70

CHƢƠNG 6 – KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ........................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................75

2


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN
Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của thầy
giáo: GS.TS. Phạm Văn Tùy.
Để hoàn thành luận văn này, tôi đã sử dụng những tài liệu đƣợc ghi trong mục
tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tại liệu tham khảo nào khác mà
không đƣợc ghi. Tôi xin cam đoan không sao chép các công trình hoặc thiết kế tốt
nghiệp của ngƣời khác.
Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo qui định.
Hà nội, ngày 13 tháng 06 năm 2014

Nguyễn Toàn Quyền

i


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Đại lượng

Đơn vị

Ký
hiệu

Nhiệt lƣợng và công suất nhiệt

Q

kJ, kW

Công suất lạnh

Q0

kW

Công, công riêng

L, l

kJ, kJ/kg

Exergy và công suất exergy

E

kJ, kW

Anergy, tổn thất exergy

A

kJ

Tổn thất exergy

, 

kJ, kJ/kg

Năng lƣợng biến đổi và công suất biến đổi

W

kJ, kW

Nội năng

U, u

kJ, kJ/kg

Năng lƣợng hiệu dụng

Ue

kJ

Entanpy

H, h

kJ, kJ/kg

Năng lƣợng hiệu dụng toàn phần hệ kín, năng lƣợng J, j

kJ

tinh
Entanpy hiệu dụng, entanpy tinh

K, k

kJ

Công biến đổi tinh, công suất biến đổi tinh

Ew, Ew

kW

Năng lƣợng tổn hao do ma sát thành nhiệt

R

kJ

Dữ kiện nhiệt độ Carnot



-

Hiệu suất nhiệt



%

Hiệu suất exergy

e

%

Khối lƣợng và lƣu lƣợng khối lƣợng môi chất

M, m

kg, kg/s

Thời gian



s

Entropy

S, s

kJ/K, kJ/kg.K

Công kỹ thuật

LKT, lKT

kJ, kJ/kg

Hệ số lạnh



kJ

Giá 1 đơn vị exergy vào 1 kW

C1

VNĐ/kW

ii


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
Giá 1 đơn vị exergy nhận từ hệ thống

Cn

VNĐ/kW

Chi phí vận hành

Cvh

VNĐ

Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật tổng hợp



-

Chỉ số (Ký hiệu chân)
r

:

Ra

v

:

Vào

a

:

Môi trƣờng

1

:

Trạng thái đầu

2

:

Trạng thái cuối

Q, q

:

Nhiệt

W

:

Năng lƣợng biến đổi

e

:

Exergy, công

i

:

Nguồn có nhiệt độ Ti

j

:

Tiết dịên vuông góc j

t

:

Toàn phần

K

:

Máy K

+

:

Vào

-

:

Ra

Chỉ số trên

iii


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

DANH M Ụ C CÁ C B ẢNG
Bảng 4-1 Các đại lƣợng năng lƣợng và exergy tƣơng ứng

43

Bảng 5-1 Nghiên cứu so sánh năng lƣợng- exergy thiết bị gia nhiệt bằng cơ
năng

45

Bảng 5-2 Nghiên cứu so sánh năng lƣợng- exergy thiết bị gia nhiệt bằng
điện năng

58

Bảng 5-3 Nghiên cứu so sánh năng lƣợng- exergy hệ thống gia nhiệt bằng

nhiệt năng

50

Bảng 5-4 Thông số đầu vào (Input values) hệ thống sƣởi ấm bằng bơm
nhiệt

59

Bảng 5-5 Thông số nhiệt động của môi chất (R410A) - chu trình bơm nhiệt

59

Bảng 5-6 Đặc tính năng lƣợng của hệ thống hệ thống sƣởi ấm bằng bơm
nhiệt

60

Bảng 5-7 Đặc tính exergy của hệ thống hệ thống sƣởi ấm bằng bơm nhiệt

61

Bảng 5-8 So sánh hiệu quả sƣởi ấm của sƣởi ấm bằng bơm nhiệt và trực
tiếp bằng điện năng

64

Bảng 5-9 Đặc tính năng lƣợng và exergy hệ thống bơm nhiệt máy nén với
(t0 = 30C, tk= 500C ÷ 540C)

66

Bảng 5-10 Đặc tính năng lƣợng và exergy hệ thống bơm nhiệt máy nén
(với tk = 500C, t0= -20C ÷ 50C)

68

iv


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1-1 Quan hệ chi phí và tổn thất

7

Hình 3-1 Hệ nhiệt động có hai dòng chảy

20

Hình 3-2 Sơ đồ bảo toàn chất lƣợng năng lƣợng trong các quá trình không
thuận nghịch

24

Hình 4-1 Eq và Aq khi nhiệt độ cấp nhiệt thay đổi

32

Hình 4-2 Chu trình Carnot và eq, aq

32

Hình 4-3 E, Q của chu trình ngƣợc chiều

33

Hình 4-4 Quan hệ  = f(T)

33

Hình 4-5 Quan hệ E, A và nhiệt độ

34

Hình 4-6 Biểu diễn cân bằng năng lƣợng

40

Hình 4-7 Biểu diễn cân bằng exergy-anergy

41

Hình 4-8 Biểu diễn cân bằng exergy

42

Hình 5-1 Nung nóng bằng cơ năng (a) và bằng điện năng (b)

45

Hình 5-2 Hàm e=f(T1, T2), Ta=100C của thiết bị hình 5-1(a)

46

Hình 5-3 Sơ đồ nung nóng trực tiếp bằng điện

48

Hình 5-4 Sơ đồ nung nóng trực tiếp bằng nhiệt năng

50

Hình 5-5 Quan hệ e=f(T2) – Gia nhiệt hệ kín, đẳng tích

51

Hình 5-6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Sƣởi ấm bằng Bơm nhiệt

54

Hình 5-7 Ảnh hƣởng của nhiệt độ ngƣng tụ tới hiệu quả bơm nhiệt =f(tk)

68

Hình 5-8 Ảnh hƣởng của nhiệt độ bay hơi tới hiệu quả bơm nhiệt =f(t0)

70

v


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

M Ở ĐẦU
Nhƣ ta đã biết, theo quan điểm về khả năng biến đổi lý tƣởng của năng lƣợng
thành công cơ học, năng lƣợng có loại có khả năng biến đổi hoàn toàn, loại có khả
năng biến đổi hạn chế và loại không có khả năng biến đổi. So với điện năng, cơ
năng và các dạng năng lƣợng khác thì nhiệt năng có đặc thù riêng với khả năng biến
đổi thành các dạng năng lƣợng khác hạn chế hơn rất nhiều. Đặc tính này làm cho
các quá trình nhiệt – lạnh là những quá trình không thuận nghịch, luôn kèm theo sự
giảm giá trị và sự xuống cấp của năng lƣợng. Vì vậy phƣơng pháp tính toán và công
nghệ sử dụng nhiệt năng trong các quá trình nhiệt – lạnh cho đến nay vẫn còn tồn
tại nhiều vấn đề phải tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện.
Trong lĩnh vực nhiệt độ thấp (Kỹ thuật lạnh và Điều hòa không khí) vấn đề lại
càng bức xúc hơn, nhất là khi đánh giá so sánh hay phân tích hiệu quả các quá trình
và thiết bị. Cách tính tổng nhiệt lƣợng ở các nhiệt độ khác nhau (nghĩa là năng
lƣợng nhiệt có giá trị khác nhau) là không thể chấp nhận đƣợc; giá trị hệ số lạnh
(COP) không phải luôn phản ánh hiệu quả thực của quá trình. Hàm mục tiêu của bài
toán tối ƣu là hiệu suất nhiệt, hay là những đại lƣợng nào khác nữa, làm thế nào để
tự động hóa tính toán và quản lý vận hành các hệ thống nhiệt lạnh một cách khoa
học, chính xác, kịp thời...là những yêu cầu cấp thiết đặt ra không chỉ cho các nhà
quản lý chất lƣợng và tiết kiệm năng lƣợng, các nhà đầu tƣ mà còn cho các cán bộ
khoa học và các kỹ thuật viên điều hành thực tế các công trình nhiệt – lạnh.
Cũng vì lẽ đó, trong thời gian gần đây, những vấn đề về nhiệt động học ứng
dụng và công nghệ năng lƣợng vẫn đƣợc các nhà khoa học trên thế giới tiếp tục
nghiên cứu và hoàn thiện, đặc biệt là phương pháp phân tích Exergy. Trên thế giới,
tính trong năm 1970 có khoảng 50 bài viết về Exergy (sau đó đƣợc gọi là “Energy
available” ở Mỹ, và “Arbeitsfähigkeit” hoặc “Exergie” ở Đức) đã đƣợc công bố

trong các tạp chí hoặc trình bầy tại các hội thảo và các hội nghị khoa học. Đến năm
2004, con số này đã vƣợt quá 500. Năm 2000, có một tạp chí quốc tế exergy ra đời,

1


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
thậm chí còn thu hút đông đảo độc giả và là đối thủ cạnh tranh của nhiều tạp chí
khoa học uy tín khác.
Ở nƣớc ta, điển hình có thể kể tới nhóm nghiên cứu của giáo sƣ Phạm Văn Tùy
và các cộng sự ở trƣờng đại học Bách Khoa Hà nội và Đà nẵng. Tuy nhiên, vấn đề
nghiên cứu và phát triển phƣơng pháp này còn chƣa phổ biến và việc tiếp cận của
sinh viên, các cán bộ kỹ thuật, quản lý năng lƣợng,...còn nhiều hạn chế. Do vậy, tác
giả thực hiện đề tài này, không tham vọng có những phát kiến mới quan trọng mà
chỉ cố gắng và kỳ vọng qua luận văn này lý thuyết exergy sẽ đƣợc phân tích một
cách khoa học, hệ thống, và một phần ứng dụng của nó trong thực tế sẽ giúp ích cho
các đối tƣợng trên trong học tập, nghiên cứu và đặc biệt là trong công tác ứng dụng
kỹ thuật một cách khoa học trong thực tế.
Trong suốt quá trình thực hiện, tác giả đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của
GS.TS.Phạm Văn Tùy, sự động viên, góp ý của các thầy và các bạn lớp thạc sỹ kỹ
thuật KTN-11B.Tác giả xin bầy tỏ sự biết ơn chân thành về những hỗ trợ quý báu
đó. Nội dung của đề tài, nhƣ đã nói ở trên, tuy không mới nhƣng còn ít đƣợc nghiên
cứu hoàn thiện ở nƣớc ta, do vậy khó tránh khỏi sai sót. Tác giả rất mong nhận
đƣợc sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, các thầy, các cô và các bạn để tác
giả bổ sung, hoàn thiện và phát triển trong các nghiên cứu trong tƣơng lai./

2


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

CHƯƠNG 1 – HÀM MỤC TIÊU CỦA BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA KINH TẾ KỸ THUẬT
1.1.

Các phương pháp phân tích chất lượng và đánh giá hiệu quả các quá
trình năng lượng
Những phƣơng pháp phân tích nhiệt động sử dụng hiện nay để tính toán và

đánh giá các chu trình nhiệt lạnh chủ yếu là phƣơng pháp cân bằng năng lƣợng,
phƣơng pháp entropy và phƣơng pháp exergy.
- Phương pháp cân bằng năng lượng:
Đây là phƣơng pháp phổ biến và đơn giản nhất để tính toán các quá trình và
thiết bị nói chung và hệ thống nhiệt lạnh nói riêng, dựa trên cơ sở của nguyên lý thứ
nhất nhiệt động học.
Phƣơng pháp này sử dụng hệ số lạnh (), hiệu suất nhiệt () để đánh giá hiệu
quả của các quá trình Nhiệt – Lạnh, dựa trên cơ sở phân tích cân bằng năng lƣợng
của hệ thống.
- Phương pháp entropy:
Phƣơng pháp nghiên cứu các quá trình truyền và biến đổi nhiệt năng trong các
động cơ nhiệt và máy lạnh dựa trên cơ sở mức độ thay đổi của entropy trong quá
trình có tên gọi là phƣơng pháp entropy.
Đây là phƣơng pháp dành riêng cho những bài toán phân tích chất lƣợng và
đánh giá hiệu quả của quá trình và là phƣơng pháp dựa trên nguyên lý II nhiệt động
học. Ở đây, mặt chất lƣợng của quá trình đƣợc xem xét theo nguyên lý Gouy –
Stodola thiết lập mối quan hệ giữa tổn thất năng lƣợng R với độ tăng entropy S và
nhiệt độ môi trƣờng xung quanh Ta trong các quá trình thực:
R  Ta .S

(0.1)

- Phương pháp exergy:
Phân tích sự làm việc của các hệ thống và thiết bị năng lƣợng (trong đó có các
hệ thống nhiệt lạnh) có kể đến sự khác nhau của các nguồn năng lƣợng và độ không
3


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
thuận nghịch của các quá trình làm việc thực trên cơ sở sử dụng đồng thời các
nguyên lý 1 và 2 của Nhiệt động học có tên gọi là phƣơng pháp phân tích exergy.
Nếu nhƣ có thể coi tồn tại cơ bản của nguyên lý 1 là không phân biệt chất
lƣợng của những dạng năng lƣợng khác nhau tham gia vào quá trình và chƣa chú ý
tới những kết luận về khả năng thực tế cải thiện các quá trình thì khi xem xét tới cả
những cơ sở của nguyên lý 2 của Nhiệt động học là ta đã đƣa vào các thành phần
cân bằng cả những khả năng biến đổi của các dòng năng lƣợng thành phần. Đây rõ
ràng là một giải pháp hợp lý hơn có thể áp dụng trong các lĩnh vực khoa học công
nghệ lạnh mà đối tƣợng khảo sát là các hệ thống và máy có các dạng năng lƣợng và
các dòng tổn thất khác nhau. Thay cho hệ số lạnh, mức độ hiệu quả đƣợc đánh giá
bằng hiệu suất exergy (e). Nó không những biểu thị mức độ thực của việc sử dụng
năng lƣợng hữu ích thông qua việc phân tích các tổn thất exergy mà còn chỉ ra các
phƣơng hƣớng và tầm quan trọng của các biện pháp cần đạt đƣợc để cải thiện các
điều kiện thực hiện và nâng cao hiệu quả của quá trình.
So với điều kiện lý tƣởng có các quá trình thuận nghịch, trong đó exergy có trị
số không đổi thì các lời giải kỹ thuật dựa trên cơ sở quá trình không thuận nghịch sẽ
có exergy giảm. Nhƣ vậy phương pháp exergy cũng là phương pháp nghiên cứu có
xét tới sự xuống cấp của năng lượng trong quá trình biến đổi.
1.2.

Những bất cập của bài toán phân tích chất lượng và đánh giá hiệu quả
các hệ thống và quá trình biến đổi năng lượng

Phương pháp cân bằng năng lượng, là phƣơng pháp phổ biến và đơn giản nhất
để tính toán các quá trình và thiết bị nói chung và hệ thống nhiệt lạnh nói riêng. Tuy
nhiên trong các bài toán xác định hiệu quả, tính toán tối ƣu và phân tích chất lƣợng
thì nó bộc lộ những nhƣợc điểm rất cơ bản, đặc biệt là trong lĩnh vực nhiệt năng
lƣợng và kĩ thuật lạnh. Sở dĩ nhƣ vậy vì phƣơng pháp này lấy số lƣợng năng lƣợng,
hiệu suất nhiệt hay hệ số lạnh làm chỉ tiêu đánh giá trong khi nhiệt năng lại có đặc
thù riêng nhƣ đã nói ở trên, đó là khả năng biến đổi hạn chế và sự xuống cấp của
năng lƣợng, nhất là trong các quá trình biến đổi năng lƣợng. Sự xuống cấp của năng
4


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
lƣợng là sự giảm chất lƣợng truyền năng lƣợng hay sự giảm giá trị của năng lƣợng.
Chẳng hạn, trong kỹ thuật lạnh khi tính hiệu quả lạnh của chu trình, hiệu suất nhiệt
cũng không đƣợc dùng trong tính toán, mà phải sử dụng hệ số lạnh  là đại lƣợng có
giá trị thường lớn hơn 1 hay 100%. Nhƣng  cũng chỉ là 1 ký hiệu và tên gọi khác
đi của hiệu suất nhiệt (), chúng đều là tỷ số giữa phần năng lƣợng hữu ích và năng
lƣợng chi phí.
Nhƣ vậy, trong một hệ thống năng lƣợng nói chung, phƣơng pháp này còn thiếu
một tiêu chuẩn chung để xem xét mức độ hiệu quả của quá trình và thiết bị hay nói
cách khác là không thể xem các tính toán cân bằng năng lƣợng nhiệt là cơ sở chung
cho các loại bài toán nhiệt khác nhau.
Phương pháp entropy lại có nhƣợc điểm là rất khó sử dụng và phức tạp vì chính
bản thân khái niệm entropy cũng rất trừu tƣợng. Mặt khác, trong một hệ thống năng
lƣợng có sự tham gia của các dòng năng lƣợng không đặc trƣng bởi entropy nhƣ
điện năng, công cơ học thì phƣơng pháp này cũng không tiện dụng. Do đó phƣơng
pháp này không phổ biến trong kĩ thuật lạnh.
Từ những điều đã trình bày ở trên chúng ta thấy rằng không thể coi phƣơng
pháp năng lƣợng và hiệu suất là phƣơng pháp chính xác khoa học và tiêu chuẩn so
sánh hiệu quả của các quá trình nhiệt - lạnh đƣợc. Để làm rõ hơn điều này ta có thể

trở lại với các khái niệm cơ bản trong nhiệt động về hiệu suất nhiệt () của động cơ
nhận vào từ nguồn nóng một lƣợng nhiệt Q+ để sinh công L- và thải cho nguồn lạnh
nhiệt lƣợng Q- :


L
Q

và khái niệm về cân bằng năng lƣợng - exergy (nhiệt năng có một phần là
exergy E và phần còn lại là tổn thất exergy hay anergy A):
Q=E+A
Khi đó:



L
E   A

(0.2)

5


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
ở mẫu số của (1.2) có đại lƣợng A+ không thể nào biến thành công đƣợc, nhƣ
vậy giá trị  bị ảnh hƣởng (giảm) và nhƣ vậy, hiệu suất nhiệt không cho phép xác
định mức độ thực mà quá trình đang xét có thể đƣợc thực hiện một cách tối ƣu.
Vì thế hiệu suất  của động cơ nhiệt hay hệ số  của máy lạnh không thể luôn
là mục tiêu tối ƣu hóa kỹ thuật hay tham gia trong tổ hợp tối ƣu hoá kinh tế - kỹ
thuật các quá trình và hệ thống nhiệt - lạnh đƣợc.

1.3.

Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật
Hiệu quả của quá trình năng lƣợng nói chung (trong đó có các quá trình máy

lạnh) sẽ đƣợc giải thích chính xác hơn khi so sánh các số lƣợng năng lƣợng có cùng
khả năng biến đổi. Điều này chỉ có thể thực hiện đƣợc khi sử dụng phƣơng pháp
exergy, khi đó hiệu quả kỹ thuật của quá trình đƣợc đánh giá bằng giá trị hiệu suất
exergy e:
e 

Er

1  

EV
EV

(1.3)

Với E+V : Exergy cung cấp cho hệ thống (đầu vào)
E- r

: Exergy hữu ích (đầu ra)



: Tổn thất exergy ;  = E+V - E-r

Khác với hệ số lạnh, hiệu suất exergy đạt giá trị lớn nhất cũng chỉ là 1 hay

100% tƣơng ứng với các quá trình lý tƣởng khi môi chất biến đổi trạng thái hoàn
toàn thuận nghịch. Các quá trình thực đều có e < 100%. Hiệu suất exergy biểu thị
mức độ thực của việc sử dụng năng lƣợng hữu ích. Phần năng lƣợng hữu ích hay
exergy này sẽ không đổi trong các quá trình lý tƣởng, thuận nghịch, còn trong các
quá trình thực, không thuận thịch luôn có tổn thất exergy. Tức là trong các quá trình
thực nhƣ quá trình nén môi chất, quá trình truyền nhiệt ở thiết bị ngƣng tụ, bay hơi,
quá trình tiết lƣu,... thì năng lƣợng luôn bị “xuống cấp” hay giảm giá trị (giảm phần
exergy trong tổng số năng lƣợng tham gia quá trình).
Tổn thất exergy có thể giảm tới trị số càng nhỏ (và hiệu suất exergy càng lớn)
khi các điều kiện thực hiện quá trình càng gần với điều kiện lý tƣởng. Muốn vậy,
6


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
ngƣời ta phải đầu tƣ hoàn thiện thiết bị nhằm giảm độ không thuận nghịch của các
quá trình và do đó giảm tổn thất, nhƣng khi đó vốn đầu tƣ lại tăng. Mặt khác thì do
kết quả của những cải tiến kỹ thuật mà chi phí vận hành lại giảm (giảm tiêu hao
năng lƣợng sơ cấp,…). Lời giải tối ƣu cho hiệu quả kinh tế lớn nhất là lời giải trong
đó tổng chi phí đầu tƣ và chi phí vận hành là nhỏ nhất. Từ đó cũng có thể xác định
đƣợc giá trị hiệu suất exergy tƣơng ứng. Hình 1.1 biểu diễn sự thay đổi của chi phí
đầu tƣ Cv (chi phí vốn) và chi phí vận hành Cvh phụ thuộc vào tổn thất exergy .
Một hệ thống lạnh đƣợc thiết kế, trang bị và điều hành sao cho tổng chi phí
vốn và chi phí vận hành là nhỏ nhất (Cmin). Mục tiêu tối ƣu này sẽ có đƣợc khi tổn
thất exergy có giá trị tƣơng ứng là t (Hình 1-1).Đây rõ ràng là một chỉ tiêu tổng
hợp, tối ƣu hóa kinh tế - kỹ thuật.

Hình 1-1: Quan hệ chi phí và tổn thất
Mặt kỹ thuật của bài toán tối ƣu ở đây đƣợc thể hiện qua giá trị của hiệu suất
exergy e, nó càng lớn càng tốt, nhƣng nếu chi phí vốn và vận hành quá lớn thì đó
cũng chƣa phải là phƣơng án tối ƣu. Tổn thất t cho Cmin chƣa phải là tƣơng ứng

với emax. Tuy nhiên nếu ta tách bài toán tối ƣu thành 2 lời giải tối ƣu kinh tế và tối

7


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
ƣu kỹ thuật thì các hệ thống cho emax sẽ đƣợc ƣu tiên khảo sát để tìm lời giải tối ƣu
và xác định các giá trị t và e.t tƣơng ứng.
Đặc tính kinh tế - kỹ thuật tổng hợp của hệ thống có thể xác định thông qua hệ
số kinh tế - kỹ thuật  định nghĩa nhƣ sau:
 = C1 / Cn

(1.4)

Trong đó:
- C1 là giá của một đơn vị exergy đƣa vào hệ thống.
Ví dụ nếu hệ thống tiêu thụ năng lƣợng dƣới dạng điện năng hay cơ năng
thì C1 là giá 1 kW tƣơng ứng. Còn khi hệ thống tiêu thụ nhiệt năng thì C 1 là
giá 1 kW của exergy tƣơng ứng (cách xác định này sẽ đƣợc trình bày ở mục
sau).
- Cn là giá một đơn vị exergy nhận đƣợc từ hệ thống (đầu ra).
Mặt khác, nếu ký hiệu E- và E+ là exergy tƣơng ứng ở đầu ra và đầu vào, ta có
thể viết phƣơng trình cân bằng sau:
E- . Cn = E+ . C1 + (Cv + Cvh)

(1.5)

Từ (1.3), (1.4) và (1.5) khi chia (1.5) cho E+C1 ta nhận đƣợc:
C n E  C1   C v  C vh E 


C1
E  C1
E




C1
E C1
E
 
Cn E C1  Cv  Cvh E 

e
1
E


(C  C )
C C
1  v  vh E
1  v  vh
E .C1
E C1

(1.6)

Nhƣ vậy khi hiệu suất exergy e tăng (do tổn thất exergy giảm) và tổng chi phí
vốn và chi phí vận hành (Cv + Cvh) giảm thì  sẽ tăng, hệ thống đạt hiệu quả kinh tế
kỹ thuật lớn.

 có giá trị nhỏ hơn 1.

8


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
Lời giải hợp lý của bài toán kinh tế - kỹ thuật sẽ xuất hiện với giá trị  lớn
nhất, trong đó đã xét tới cả mặt kỹ thuật (e càng lớn càng tốt) mà mặt kinh tế (tổng
chi phí vốn đầu tƣ và chi phí vận hành) nhỏ nhất.
Trong phân tích nhiệt động học, thƣờng ta chỉ dừng lại ở bài toán tối ƣu kỹ
thuật: xác định lời giải kỹ thuật cho hệ số hiệu quả lớn nhất, lời giải tối ƣu tổng hợp
sẽ xuất hiện theo hƣớng này, nhƣng hệ số hiệu quả trong trƣờng hợp các hệ thống
lạnh không nên là  mà phải sử dụng e (hiệu suất exergy) mới cho kết quả chính
xác khoa học và cho phép đánh giá so sánh các hệ thống lạnh khác nhau.
Cũng có thể xác định hiệu quả kinh tế - kỹ thuật tổng hợp của hệ thống thông
qua giá thành năng lƣợng, xác định theo phƣơng pháp exergy. Theo phƣơng pháp
này công cơ học, điện năng và nhiệt năng đƣợc tính giá chung theo exergy tƣơng
ứng của nó, có nghĩa là sự khác nhau về mức độ nhiệt độ của nhiệt năng cũng đƣợc
kể tới.

9


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỀ TÀI LUẬN ÁN
2.1.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

2.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Vào cuối những năm 1960, lý thuyết exergy ít nhiều đƣợc hoàn thiện, nhƣng chỉ
một số ít các ứng dụng thực tế của nó đƣợc thảo luận (chủ yếu là đƣợc ứng dụng
trong các hệ thống hóa học và các nhà máy chuyển hóa năng lƣợng). Nhìn chung,
chúng ta có thể nói rằng các kết quả tri thức của lý thuyết exergy ứng dụng cho
công nghiệp là nhỏ nếu không muốn nói là vắng mặt ở hầu hết.
Một trong những chủ đề gây tranh cãi nhất dĩ nhiên là định nghĩa của tất cả các
thành phần liên quan của exergy và các ứng dụng lý thuyết của nó. Rất nhiều tác giả
mà các tác phẩm của họ đã tạo ra những tiến bộ cơ bản trong nhận thức về nhiệt
động học và exergy, góp phần làm rõ ràng hơn định nghĩa của các thành phần liên
quan, giải thích các lợi thế về lý thuyết của nó trong việc phân tích các biến đổi
năng lƣợng, phân tích sự tƣơng quan của nó với các tổn thất của các quá trình
không thuận nghịch và với chất lƣợng năng lƣợng. Có thể kể đến nhƣ : Reistad
(1970), Ussar (1970), Vlnas (1970), Weingaertner (1970), Wissmann (1970),
Thoernqvist (1971), Bojadzev (1972), Keller (1972, 1982 ), Szargut (1972),
Zubarev (1973), Chernyshevskyi (1974), Fratzscher (1974), Haywood (1974,
1979), Kalz (1974, 1975, (1976), Medici (1974), Naylor (1974), Andryuschenko
(1975), Mayer (1975), Sawada (1975), Tribus (1975), Yasnikov (1975), Roegener
(1976), (1976) Vivarelli et al., Yasnikov & Belousov (1976), 1977a, b), Berchtold
(1977), Soerensen (1977a, b), Wachter (1977), Brzustowsky & Golem (1978),
Kestin (1978, 1979), Klenke (1978, 1991a, b), Muschik (1978), van Lier (1978),
Voigt (1978), Andresen và Rubin (1979), Borel (1979c), Kameyana & Yoshida
(1979, 1980), Martinowsky (1979), de Nevers & Seader (1979a, b), Sussmann
(1979a, b, 1980), Wepfer (1979), Woollert (1979), Yamauchi (1979, 1981),
Andrews (1980), Ahern (1980b), Gaggioli (1980,1983), Penner (1980), bạc (1981),

10


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

Zschernig & Dittmann (1981), Enchelmayer (1982), Sato (1982, 1983, 1985, 1986a,
b, c), Wall (1986), Gyftopoulos & Beretta (1987), Alefeld (1988b, c), Wang và Zhu
(1988), Zilberberg (1988), Von Spakowsky & Evans (1989a, 1990a, b), O'Toole &
McGovern (1990), Lucca (1991), Dunbar và các cộng sự (1992), và Moran &
Sciubba (năm 1994)...v.v.
Sự phát triển lớn mạnh và mở rộng của lý thuyết exergy trong những năm 1970
và sự tăng trƣởng theo cấp số nhân của các ứng dụng của nó là do hai nguyên nhân
rất khác nhau nhƣng có ảnh hƣởng giống nhau: một là các cuộc thảo luận ngắn gọn,
rõ ràng và thú vị đƣợc cung cấp bởi một số các giáo trình năm 1960 (Baehr,
Schmidt, Obert, Hatsoupoulos & Keenan), đã thúc đẩy các thế hệ sinh viên tốt
nghiệp quan tâm vào lĩnh vực này, và hai là cái gọi là "cuộc khủng hoảng dầu mỏ"
của năm 1973, buộc các cơ quan Chính phủ và các ngành công nghiệp của các nƣớc
công nghiệp tập trung vào "tiết kiệm năng lƣợng". Việc tăng "hiệu quả" của chuỗi
các biến đổi dẫn từ các nguồn nguyên liệu tới các sản phẩm thƣơng mại đòi hỏi phải
có một sự hiểu biết thấu đáo về vị trí và tầm quan trọng của các tổn thất trong các
quá trình không thuận nghịch. Và do vậy dẫn đến nhu cầu bức thiết cần đến việc
phân tích exergy.
Trong thực tế, hầu hết các ấn phẩm lý thuyết ra đời từ đầu những năm 1970 tới
cuối những năm 1990, chủ yếu là giải quyết bài toán tối ƣu hóa. Hàm mục tiêu của
bài toán tối ƣu hóa trở thành đối tƣợng nghiên cứu, nhằm tối đa hóa năng suất
exergy của một quá trình với nguồn đầu vào nhất định. Vì vậy, vấn đề đặt ra là phải
xác định một cách chính xác các chỉ số hiệu suất thích hợp cho mỗi chuyển đổi cơ
bản hay của cả một quá trình đƣợc thảo luận trong một số lƣợng rất lớn các ấn
phẩm trên toàn thế giới. Trong giai đoạn này, các nhóm làm việc quốc tế đầu tiên
đƣợc tổ chức để tạo điều kiện cho các trƣờng khác nhau “phải” trao đổi thông tin và
các kết quả cùng lúc trong một môi trƣờng mở rộng đặc biệt và có chiều sâu của
lĩnh vực này.
Lý thuyết và phƣơng pháp exergy tiếp tục đƣợc nghiên cứu trong suốt 20 năm
qua. Ngày càng có nhiều học giả đã tham gia vào việc phân tích Exergy, và cũng
11

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
chƣa có quốc gia nào có thể đƣợc coi là quốc gia hàng đầu trong lĩnh vực này. Mặc
dù đại đa số các công trình đƣợc liệt kê ở đây là các tác giả của Mỹ hay các nhà
nghiên cứu của Đức, những đóng góp cơ bản đến từ Nga và nói chung từ các nƣớc
khối Đông Âu, Nhật Bản và Tây Âu.
Trong những năm gần đây, cùng với sự tiến bộ của khoa học máy tính và công
nghệ thông tin, các thuật toán đang dần đƣợc phát triển để đƣợc xử lý bằng máy
tính. Tuy nó chƣa phát triển mạnh nhƣng các ứng dụng phƣơng pháp số đã cải thiện
đáng kể chất lƣợng tính toán ở một phạm vị nhất định của lĩnh vực này.
2.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, tình hình nghiên cứu lý thuyết và phƣơng pháp exergy chƣa đƣợc
“sôi động” nhƣ thế giới. Ở cấp đại học, lý thuyết exergy vẫn chƣa đƣợc đƣa vào
một cách chuyên biệt và sâu rộng, sinh viên chỉ đƣợc tiếp cận ở mức độ định nghĩa
cơ bản về exergy.
Với bậc sau đại học, một số luận văn thạc sỹ có khai thác một số ứng dụng của
phƣơng pháp exergy, nhƣ: Trịnh Quốc Dũng (tính toán, phân tích hiệu quả làm việc
của hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh theo phƣơng pháp exergy – Báo cáo hội nghi khoa
học lần thứ 20 - ĐHBK Hà Nội – 10/2006). Các học viên cao học (chuyên ngành
Kỹ thuật nhiệt – ĐHBK Hà Nội) thời gian gần đây cũng đƣợc tiếp cận với lý thuyết
exergy qua môn học “phƣơng pháp phân tích hiệu quả các hệ thống nhiệt lạnh”,
đƣợc cung cấp và giảng dạy bởi GS.TS. Phạm Văn Tùy. Giáo sƣ Phạm Văn Tùy
cũng là một trong những ngƣời tiên phong ở nƣớc ta nghiên cứu lý thuyết và
phƣơng pháp exergy. Bài viết đăng trên Tạp chí Khoa học kỹ thuật số 3 + 4, năm
1987 (Phƣơng pháp phân tích chất lƣợng và tính toán hiệu quả hệ thống lạnh) của
ông và TS. Võ Chí Chính cùng với giáo trình môn học “phƣơng pháp phân tích hiệu
quả các hệ thống nhiệt lạnh” của ông đã trình bầy tƣơng đối rõ ràng về lý thuyết
exergy, phân tích một số ứng dụng của nó trong việc tính toán hiệu quả các hệ
thống nhiệt lạnh, bƣớc đầu đƣa lý thuyết exergy phát triển vào hệ thống khoa học

12


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
nƣớc nhà và góp phần cho các học viên, các cán bộ kỹ thuật tiếp cận với các lý
thuyết cơ bản trong lĩnh vực này.
2.2.

Xác định đề tài luận án

2.2.1. Xác định đề tài nghiên cứu
Qua phân tích và tìm hiểu tình hình nghiên cứu ở trên, tác giả nhận thấy vấn đề
nghiên cứu và phát triển lý thuyết exergy và ứng dụng của nó trong việc đánh giá
hiệu quả các hệ thống nhiệt lạnh vào thực tế ở Việt Nam và ngay cả trên thế giới
còn chƣa phổ biến và việc tiếp cận của sinh viên, các cán bộ kỹ thuật, quản lý năng
lƣợng,...ở nƣớc ta còn nhiều hạn chế. Do vậy, tác giả mạnh dạn thực hiện đề tài “Cơ
sở lý thuyết và ứng dụng phương pháp exergy đánh giá hiệu quả các hệ thống
nhiệt lạnh”.
2.2.2. Đối tượng nghiên cứu
Các quá trình và hệ thống nhiệt – lạnh đặc trƣng.
2.2.3. Mục đích nghiên cứu
Làm rõ cơ sở lý thuyết và áp dụng đánh giá hiệu quả một số quá trình và thiết bị
nhiệt – lạnh đặc trƣng phục vụ bài toán nghiên cứu so sánh hiệu quả thực của quá
trình và đề xuất phƣơng án cải tiến, nâng cao hiệu quả.
2.2.4. Nội dung nghiên cứu
Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề chính sau đây:
 Các phương pháp phân tích chất lượng và đánh giá hiệu quả các hệ thống
nhiệt lạnh
 Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật

 Năng lượng và khả năng biến đổi của năng lượng
 Lý thuyết và sự phát triển của phương pháp exergy
 Ứng dụng của phương pháp exergy đánh giá hiệu quả các hệ thống nhiệt
lạnh: Một số quá trình và hệ thống đặc trưng như quá trình gia nhiệt bằng
năng lượng cao cấp (cơ năng và điện năng), quá trình sưởi ấm bằng nhiệt
năng và sưởi ấm bằng bơm nhiệt.
 Kết luận và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo
13


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
2.2.5. Phạm vi nghiên cứu
Do giới hạn về thời gian cũng nhƣ mức độ yêu cầu của chƣơng trình đào tạo mà
phạm vi nghiên cứu của luận án này chỉ tập trung khảo sát làm rõ cở sở lý thuyết và
phương pháp nghiên cứu ứng dụng phân tích exergy vào một số quá trình và thiết
bị nhiệt - lạnh đặc trưng. Đó là các quá trình mà nếu chỉ sử dụng phƣơng pháp cân
bằng năng lƣợng truyền thống (sử dụng nguyên lý I nhiệt động học) sẽ không phản
ánh đầy đủ và chính xác hiệu quả thực của quá trình truyền và biến đổi năng lƣợng.
Do đó sẽ dẫn đến đánh giá sai lầm về hiệu quả của quá trình và đƣa ra phƣơng
hƣớng cải tiến không chính xác, thỏa đáng.

14


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

CHƯƠNG 3 – NĂNG LƯỢNG VÀ KHẢ NĂNG BIẾN ĐỔI CỦA NĂNG
LƯỢNG
3.1.

Các dạng năng lượng và khả năng biến đổi của nó trong các quá trình
năng lượng

Để làm rõ cơ sở xác định, lựa chọn nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu đánh
giá hiệu quả tổng hợp của quá trình dựa trên nguyên lý I và II nhiệt động học,
chúng ta cần khảo sát, phân loại và đi sâu tìm hiểu các dạng năng lƣợng, khả năng
và hiệu quả biến đổi của nó.
3.1.1. Các dạng năng lượng
Một trong các định nghĩa chung nhất là xem năng lƣợng nhƣ là mức độ chuyển
động của vật chất. Một trong những dạng phổ biến nhất của năng lƣợng là công cơ
học, nó đƣợc định nghĩa nhƣ sau: “Năng lƣợng của một hệ thống là khả năng thực
hiện công cơ học của nó khi chuyển từ trạng thái ban đầu tới một trạng thái chuẩn
nào đó”.
Các dạng năng lƣợng gồm: Cơ năng (động năng và thế năng), điện năng, năng
lƣợng từ, nội năng, ... v.v.
 Trên cơ sở đặc tính thể hiện mức độ chuyển động của vật chất của năng lƣợng,
có thể chia năng lƣợng thành các nhóm:
a. Năng lượng có trật tự: Tất cả các phần tử tạo thành hệ thống dịch chuyển
cùng chiều với chiều chung của quá trình (Ví dụ: năng lƣợng điện: theo chiều
dịch chuyển của các điện tử, động năng: theo chiều của vec tơ tốc độ, thế năng:
theo chiều tác dụng của lực trọng trƣờng).
b. Năng lượng không có trật tự: ngoài chuyển động theo hƣớng và chiều của
quá trình, các phần tử của hệ thống còn chuyển động theo hƣớng và chiều khác
(ví dụ: nội năng).
Nhiệt và công không phải là năng lượng mà chỉ là dạng biểu hiện của sự trao
đổi năng lƣợng. Các đạị lƣợng này chỉ xuất hiện khi các hệ thống trao đổi năng
lƣợng với nhau và với môi trƣờng. Sự trao đổi năng lƣợng dƣới dạng nhiệt là sự

15

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
truyền năng lƣợng giữa các hệ thống do chuyển động phân tử (chuyển động
nhiệt) trong đó nhiệt tạo thành còn có tên gọi là dòng nhiệt.
 Trên cơ sở về sự truyền năng lƣợng, có thể phân loại năng lƣợng thành các
thành phần sau:
a. Năng lượng truyền:
- Nhiệt năng
- Công cơ học:
+ Công chống lại trọng lực: mg (Zx - Z0)
+ Công chống lại quán tính: m (

 2   02
2

)

2

+ Công nén :

 pdv
1

+ Công đẩy: pv
+ Công của máy: l
- Điện năng truyền trong dây dẫn
b. Năng lượng tích lũy:
- Cơ năng:
+ Thế năng: mgZ

+ Động năng:

m 2
2

- Nội năng: tạo nên bởi
+ Chuyển động phân tử
+ Năng lƣợng điện từ
+ Năng lƣợng hóa học
+ Năng lƣợng nguyên tử
3.1.2. Khả năng biến đổi của năng lượng
Theo quan điểm khả năng biến đổi lý tƣởng của năng lƣợng thành công cơ
học, các dạng năng lƣợng khác nhau đƣợc chia thành 3 nhóm:
a. Nhóm 1 - năng lượng có khả năng biến đổi hoàn toàn:
16


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
- Thế năng
- Động năng
- Điện năng
b. Nhóm 2 - năng lượng có khả năng biến đổi một phần:
- Nhiệt năng
- Nội năng
- ...v.v
c. Nhóm 3 - năng lượng không có khả năng biến đổi:
Gồm năng lƣợng tích lũy ở môi trƣờng xung quanh dƣới dạng chuyển
động nhiệt.
Mọi dạng năng lƣợng thuộc nhóm 1 đƣợc gọi là exergy: là số lƣợng năng lƣợng
lớn nhất mà trong trạng thái đã cho của môi trƣờng xung quanh (trong những điều

kiện của các quá trình hoàn toàn thuận nghịch) có thể biến đổi thành bất cứ dạng
năng lƣợng nào.
Mọi dạng năng lƣợng thuộc nhóm 3 đƣợc gọi là anergy: là năng lƣợng (mà
ngay cả trong điều kiện quá trình hoàn toàn thuận nghịch) cũng không thể biến đổi
thành exergy - nó là năng lƣợng không có khả năng biến đổi. Trong các quá trình
biến đổi: đó chính là tổn thất exergy.
Nhƣ vậy xét trong một quá trình biến đổi, về mặt số lƣợng, năng lƣợng sẽ gồm
exergy (E) và phần còn lại là anergy (A), tức là có thể biểu diễn:
Q = E + A = const.

(3.1)

Quan hệ (3.1) biểu thị nguyên lý thứ nhất của Nhiệt động học; điều đó có nghĩa
là cả (E) và (A) là các đại lượng không được bảo toàn.
Theo quan điểm exergy và anergy nhƣ trên thì nguyên lý thứ hai của Nhiệt động
học cũng có thể đƣợc phát biểu theo một cách khác:
- Không thể biến anergy thành exergy (hay không thể có động cơ vĩnh cửu
loại 2)
- Trong các quá trình thuận nghịch: Exergy giữ không đổi (E=const.)

17


Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
- Trong các quá trình không thuận nghịch: Exergy biến đổi một phần hay toàn
bộ thành anergy (E  A)
3.2.

Cân bằng số lượng năng lượng

Xét một hệ thống bất kỳ có quá trình truyền nhiệt (Q), truyền công (E) và truyền
chất (M) với bên ngoài, theo nguyên lý I nhiệt động học, phƣơng trình cân bằng
năng lƣợng viết dƣới dạng công suất sẽ là:
dU t / d   E  K   Q  i   ht M  j
K

i

, kW

(3.1)

j

Trong đó:
- Ut: Nội năng toàn phần của hệ thống tức là nội năng có kể tới cả ngoại thế
năng (lực trọng trƣờng) Wt và ngoại động năng (do chuyển động vĩ mô của
hệ có tốc độ ) Wđ.
- E+K: Công suất công kỹ thuật do hệ thống nhận vào từ máy K.
- Q+i : Công suất nhiệt nhận từ nguồn nhiệt có nhiệt độ Ti.
- M+j : Lƣu lƣợng khối lƣợng môi chất nhận vào ở tiết diện vuông góc j do
trao đổi chất.
- ht : Entanpy toàn phần của môi chất ứng với tiết diện vuông góc j (cùng với
M+j).
Để đơn giản, ta bỏ các chỉ số i, j, k; phƣơng trình (3.1) trở thành:
dUt/d = E+ + Q+ +  (htM+) , kW

(3.2)

Cũng cần lƣu ý rằng mọi hệ thống của chúng ta đều nằm trong khí quyển có áp

suất Pa, vì vậy khi thay đổi trạng thái, thể tích môi chất thay đổi một lƣợng dV và sẽ
cung cấp cho môi trƣờng ngoài (khí quyển) một công suất là:
dN = Pa . dV/d
Trong kỹ thuật ta thƣờng không quan tâm và tách riêng công suất dN này mà chỉ
quan tâm tới công suất hiệu dụng. Công suất hiệu dụng (có thêm ký hiệu chân là e)
sẽ là Ee, công suất này do hệ thống cung cấp ra nên có thêm dấu -:
E-e = E-



PadV/d, kW

18

(3.3)