giao trinh ky thuat nhiet

Kỹ Thuật Nhiệt
•
•
•
•

•
•
•
•

Mã môn học: 074001
Tên tiếng Anh: Thermo Engineering
Số tín chỉ: 02
Thời khóa biểu:
Thứ Sáu – Tiết 6,7 – Phòng B.205
Thứ Sáu – Tiết 8,9 – Phòng B.209
Giảng viên: Th.S Trần Vũ Hải Đăng
Cellphone No.: 0909.89.35.39
Email:
Forum:

Giáo Trình
Học liệu bắt buộc:
• [1]. Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú, 2009. “Cơ sở kỹ thuật nhiệt”,
NXB Giáo Dục.
• [2]. Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú, 2009. “Bài tập Cơ sở kỹ thuật
nhiệt” NXB Giáo Dục.
Học liệu tham khảo:
• [3]. Nguyễn Bốn, Hoàng Ngọc Đồng, 1999. “Nhiệt kỹ thuật”, NXB
Giáo Dục.

• [4]. Bùi Hải, Hoàng Ngọc Đồng, 1999. “Bài tập kỹ thuật nhiệt”,
NXB Khoa học & Kỹ thuật.

PHẦN 1

NHIỆT ĐỘNG
KỸ THUẬT

1


Chương 1:

Những khái niệm cơ bản &
Phương trình trạng thái của
môi chất ở thể khí

1.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ NHIỆT

• Thiết bị Nhiệt:
- Động cơ nhiệt
- Máy lạnh / Bơm nhiệt

Động cơ Nhiệt
• Máy hơi, động cơ đốt trong, Tuabin hơi, Tuabin
khí, động cơ phản lực, tên lửa, ...
• Biến nhiệt năng thành cơ năng hoặc điện năng.
• Nguyên lý: môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng,
chuyển hóa 1 phần nhiệt năng thành cơ năng và
nhả phần nhiệt còn lại cho nguồn lạnh rồi tiếp tục

1 chu trình mới.
• Nguồn nóng: buồng đốt, phản ứng hạt nhân, bức
xạ nhiệt, địa nhiệt,...
• Nguồn lạnh: không khí và nước trong môi trường

2


Bơm nhiệt / Máy lạnh
• Nguyên lý: Môi chất nhận nhiệt từ nguồn lạnh,
đem nhiệt lượng đó cùng với phần năng lượng
do bên ngoài hỗ trợ truyền cho nguồn nóng.
• Năng lượng bên ngoài: Cơ năng, Điện năng,
Nhiệt năng,...

Một số khái niệm và định nghĩa
• Hệ thống nhiệt: tập hợp những đối tượng được
tách ra để nghiên cứu các hiện tượng về nhiệt. Có
thể chia thành hệ thống kín, hệ thống hở, hệ thống
cô lập, hệ thống đoạn nhiệt,...
• Nguồn nhiệt: những vật trao đổi nhiệt với môi
chất. Nguồn có nhiệt độ cao là nguồn nóng, nguồn
có nhiệt độ thấp hơn là nguồn lạnh.
• Môi chất: chất mà thiết bị dùng để truyền tải và
chuyển hóa nhiệt năng với các dạng năng lượng
khác. Thường dùng môi chất ở pha hơi (khí) vì có
khả năng co dãn rất lớn.

1.2. SỰ THAY ĐỔI TRẠNG THÁI &
CHUYỂN PHA CỦA ĐƠN CHẤT

• Các quá trình:
- Nóng chảy và đông đặc
- Hóa hơi và ngưng tụ
- Thăng hoa và ngưng kết
• Các trạng thái:
- Nước sôi (nước bão hòa)
- Hơi bão hòa khô
- Hơi bão hòa ẩm
- Nước chưa sôi
- Hơi quá nhiệt
- Khí lý tưởng và khí thực

3


1.3. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT

• 3 thông số trạng thái cơ bản trong nhiệt kỹ
thuật:
- Nhiệt độ
- Áp suất
- Thể tích riêng / Khối lượng riêng
• Ngoài ra còn các thông số như nội năng,
Entanpi, Entrôpi, Execgi.

Nhiệt độ & Định luật nhiệt thứ không
• Nhiệt độ biểu thị mức độ nóng / lạnh của môi chất.
• Định luật nhiệt thứ không:
Nếu t1= t3 và t2= t3 thì t1= t2
• Thang nhiệt độ bách phân Celcius (toC)

• Thang nhiệt độ tuyệt đối:Kelvin (TK), Rankine (ToR),
Fahrenheit (toF)
• toC = TK – 273 = 5/9 (toF – 32) = 5/9 ToR – 273

Áp suất tuyệt đối
• Áp suất tuyệt đối p là lực của môi chất tác
dụng thẳng góc lên một đơn vị diện tích bề mặt
tiếp xúc.
• Đơn vị áp suất tuyệt đối thường dùng là N/m2
• Các đơn vị khác: bar, mmHg, mmH2O, atm.
• 1Pa=1N/m2 =1/9,81 mmH2O =1/133,32 mmHg
=10-5 bar
• 1 atm = 760 mmHg

4


Áp suất tuyệt đối
• p = pk + pd (p lớn hơn áp suất khí trời)
• p = pk - pck (p nhỏ hơn áp suất khí trời)
Trong đó:
p : áp suất tuyệt đối
pk: áp suất khí trời
pd: áp suất dư
pck: áp suất chân không

Nội năng
• Là tổng của nội động năng và nội thế năng
• Ký hiệu: U (đối với Gkg), u (đối với 1kg)
• Đơn vị:

1kJ = 0,239 kcal = 277,78.10-6 kWh
= 0,948 BTU = 0,527 CHU

Entanpi
• Đối với 1 kg môi chất: i = u + p.v
• Đối với G kg môi chất: I = G.i = U + p.V

5


Entrôpi
• Là thông số trạng thái đặc trưng cho quá trình
nhận / thải nhiệt.
• Ký hiệu: s
• Đơn vị: thường là kJ

Execgi
• Là năng lượng có ích tối đa mà môi chất có thể nhận
được để tiến đến trạng thái cân bằng với môi trường
bên ngoài.
• Ký hiệu: e
• e = (i – i0) – T0 (s – s0)
i: entanpi ở trạng thái cần xác định
i0: entanpi ở trạng thái cân bằng
T0: Nhiệt độ tuyệt đối ở trạng thái cân bằng
s : entrôpi ở trạng thái cần xác định
s0: entrôpi ở trạng thái cân bằng

1.4. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT

• Định luật pha của Gibbs:
V=C+2–P
V: số thông số độc lập tối thiểu cần thiết để
xác định một trạng thái
C: số thành phần trong hệ
P: số pha cùng tồn tại trong hệ
• Ví dụ: Số thông số tối thiểu cần biết để xác định trạng thái của
môi chất đơn 1 pha là: V = C + 2 – P = 1 + 2 – 1 = 2

6


Phương trình trạng thái của khí lý tưởng
• pV = GRT
p – áp suất tuyệt đối (N/m2)
T – nhiệt độ tuyệt đối (K)
V – thể tích của môi chất (m3)
G – khối lượng môi chất (kg)
R – hằng số chất khí = 8314/μ (μ là phân tử
lượng của môi chất)

Home Works
• 1, 2, 3, 4 trang 152 – sách Cơ sở Kỹ thuật
Nhiệt
• Toàn bộ 20 bài tập Chương 1 – sách Bài tập cơ
sở kỹ thuật Nhiệt
• Đọc trước Chương 2 – Định luật nhiệt thứ nhất
& Các quá trình nhiệt cơ bản của môi chất ở
pha khí

7


Chương 2:

Định luật nhiệt thứ nhất
&
Các quá trình nhiệt cơ bản của
môi chất ở pha khí

2.1. NHIỆT, CÔNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

• Nhiệt lượng: là năng lượng đi xuyên qua bề
mặt ranh giới khi giữa môi chất và môi trường
có sự chênh lệch nhiệt độ. Đơn vị: kJ, kcal,...
• Công: Công thay đổi thể tích (công dãn nở),
Công kỹ thuật.

Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ
• Nhiệt dung riêng ‘c’ là nhiệt lượng cần thiết để đưa nhiệt độ
của một đơn vị môi chất tăng thêm 1 độ theo một quá trình nào
đó.
• Dựa vào đặc điểm của quá trình và đơn vị đo lường, ta chia ra:
 Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp: cp (J/kg.K)
 Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích: cv (J/kg.K)
 Nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp: c’p (J/m3tc.K)
 Nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích: c’v (J/m3tc.K)
 Nhiệt dung riêng kmol đẳng áp: µcp (J/mol.K)
 Nhiệt dung riêng kmol đẳng tích: µcv (J/mol.K)

1


Mối quan hệ giữa các loại nhiệt dung riêng
cp c p


k
cv cv cv

cp

k : số mũ đoạn nhiệt
khí 1 nguyên tử: k = 1,67
khí 2 nguyên tử: k = 1,4
khí 3 nguyên tử: k = 1,3

• Công thức Mayer đối với khí lý tưởng:
c p  cv  R 

8314


Mối quan hệ giữa các loại nhiệt dung riêng
• Từ các công thức trên, ta có:
R
k
cv 
cp 
R

k 1
k 1
• Nhiệt dung riêng trong quá trình đa biến có số
mũ n là:

c  cv

nk
n 1

Nhiệt dung riêng của khí lý tưởng
Loại khí

k

cv (

kJ
)
kmol.k

c p (

kJ
)
kmol.K

Khí 1 nguyên tử

1,67

12,6

20,9

Khí 2 nguyên tử

1,4

20,9

29,3

Khí 3 nguyên tử

1,3

29,3

37,7

Khi yêu cầu độ chính xác cao, có thể coi nhiệt
dung riêng có quan hệ bậc 1 (đường thẳng) với
nhiệt độ theo công thức:

c  a0  a1t

2

Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng
2

q 1; 2 

 cdt
1

• Nếu c = const:

q1; 2  c(t 2  t1 )

t t 

q1;2  a0  a1 1 2  t2  t1 
2 


• Nếu c = a0 + a1t:

Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi Entropi
• Nhiệt lượng cần thiết để đưa một đơn vị môi
chất từ trạng thái 1 sang trạng thái 2:
2

s2

q1;2   dq   T .ds
1

s1

Công thay đổi thể tích
• Là công do môi chất thực hiện khi có sự thay
đổi về thể tích.
• Công thay đổi thể tích của môi chất khi thể
tích thay đổi từ v1 đến v2:
v2

l   dl   pdv
v1

3


Công kỹ thuật
• Là công của dòng môi chất chuyển động (hệ
hở) thực hiện khi áp suất của môi chất thay đổi
• Công kỹ thuật có thể tính theo:
2

p2

p1

l kt   dlkt    vdp   vdp
1

p1

p2

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT
• Nội dung định luật:“Nhiệt lượng cấp vào cho
hệ, một phần dùng để thay đổi nội năng, một
phần dùng để sinh công.”
• Ý nghĩa định luật: Cho phép ta viết phương
trình cân bằng năng lượng cho một quá trình
nhiệt động.
• Biểu thức: dq = du + dl

Các biểu thức của Định luật nhiệt động I
• dq = du + pdv
• dq = di – vdp
• dq = di – dlkt
• Đối với khí lý tưởng:

dq = cvdT + pdv
dq = cpdT – vdp

4


CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

•
•
•
•
•

Quá trình đa biến
Quá trình đẳng áp
Quá trình đẳng tích
Quá trình đẳng nhiệt
Quá trình đoạn nhiệt

QUÁ TRÌNH ĐẲNG TÍCH
• Là quá trình nhiệt động được tiến hành trong
điều kiện thể tích không đổi.(v = const, dv = 0)
T
• 2  p2
T1

p1

QUÁ TRÌNH ĐẲNG ÁP
• Là quá trình nhiệt động được tiến hành trong
điều kiện áp suất không đổi.(p = const, dp = 0)
v2 T2

v1 T1

5


QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT
• Là quá trình nhiệt động được tiến hành trong
điều kiện nhiệt độ không đổi.(T=const, dT = 0)
p1 v2


p2 v1

QUÁ TRÌNH ĐOẠN NHIỆT
• Làquátrìnhnhiệtđộngđượctiếnhànhtrongđiềukiệnkhôngtraođổinhiệtvớimôitrường.
(q = 0, dq = 0)
p1  v2 
 
p 2  v1 

k

QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN
• Làquátrìnhnhiệtđộngđượctiếnhànhtrongđiềukiệnnhiệtdungriêngcủaquátrìnhkhôngđổi.
(cn = const)
p1  v2 
 
p 2  v1 

n

6


Lượng thay đổi các thông số trạng thái
• Lượng thay đổi nội năng:
T2

u  u2  u1   cv dT  cv (T2  T1 )
T1

• Lượng thay đổi entanpi:
T2

i  i2  i1   c p dT  c p T2  T1 
T1

• Trong quá trình đẳng nhiệt thì Δu=0 và Δi=0

Lượng thay đổi entrôpi
• Quá trình đẳng tích: s  cv ln T2
T1

• Quá trình đẳng áp:

s  c p ln

T2
T1

• Quá trình đẳng nhiệt: s  R ln v2   R ln p2
v1

• Quá trình đoạn nhiệt:

p1

s  0

Tính nhiệt lượng trong các quá trình

• Quá trình đẳng tích: q  cv T
• Quá trình đẳng áp:

q  c p T

• Quá trình đẳng nhiệt:

q  p1v1 ln

v2
p
 p1v1 ln 1
v1
p2

• Quá trình đoạn nhiệt: q  0
• Quá trình đa biến: q  cv

nk
T
n 1

7


Tính công thay đổi thể tích trong các quá trình
• Quá trình đẳng tích: ltt  0
• Quá trình đẳng áp: ltt  R (T2  T1 )
p

• Quá trình đẳng nhiệt: ltt  RT ln p1

 p1v1 ln

2

2

• Quá trình đoạn nhiệt: ltt  p1v1k 
1

p1
p
 p2v2 ln 1
p2
p2

dv
vk

Tính công thay đổi thể tích trong quá trình đa biến
ltt 

1
 p1v1  p2v2 
n 1

ltt 

RT1  T2 

1  
n  1  T1 

ltt 

RT1   v1 
1   
n  1   v2 


n 1





n 1


RT1   p2  n 


ltt 
1
n  1   p1  



Tính công kỹ thuật trong các quá trình
• Quá trình đẳng tích: lkt  v( p2  p1 )

• Quá trình đẳng áp: l kt  0
• Quá trình đẳng nhiệt: lkt  ltt
• Quá trình đoạn nhiệt: lkt  kltt
• Quá trình đa biến:

l kt  nl tt

8


Home works
• Bài tập 5 – 13 trang 152 – 155 sách Cơ sở kỹ
thuật nhiệt.
• Toàn bộ bài tập Chương 2 sách Bài tập cơ sở
kỹ thuật nhiệt.
• Đọc trước Chương 3 – Một số quá trình khác
của khí và hơi.

9


CHƯƠNG 3:
MỘT SỐ QUÁ TRÌNH KHÁC
CỦA KHÍ VÀ HƠI

1. QUÁ TRÌNH LƯU ĐỘNG
• Lưu động là sự chuyển động của môi chất.
• Thường sử dụng trong tuabin hơi, tuabin khí,
động cơ phản lực.
• Các giả thiết khi nghiên cứu:

 Là quá trình đoạn nhiệt.
 Dòng lưu động là dòng liên tục, ổn định và
một chiều.

Phương trình liên tục

G   . f .  const
• G : Lưu lượng khối lượng (kg/s);
• ρ : khối lượng riêng của môi chất (kg/m3);
• f : diện tích tiết diện ngang của dòng tại nơi
khảo sát (m2);
• ω : vận tốc của dòng (m/s).

1


Tốc độ âm thanh trong môi trường khí & hơi

a  kpv  kRT
•
•
•
•
•
•

a : tốc độ âm thanh (m/s);
k : số mũ đoạn nhiệt;
p : áp suất môi chất (N/m2);
v : thể tích riêng (m3/kg);

R : hằng số chất khí (J/kgoK);
T : nhiệt độ tuyệt đối của môi chất (oK).

Trị số Mach
M


a

• Nếu M<1: dòng dưới âm thanh;
• Nếu M=1: dòng bằng âm thanh;
• Nếu M>1: dòng siêu âm.

Quan hệ giữa tốc độ và áp suất của dòng
d  

v



dp

• Khi tốc độ tăng (dω>0) thì áp suất giảm
(dp<0). Ống loại này là ống tăng tốc. Ống tăng
tốc dùng để tăng động năng của dòng môi chất
trong tuabin hơi, tuabin khí.
• Khi tốc độ giảm (dω<0) thì áp suất tăng
(dp>0). Ống loại này là ống tăng áp. Ống tăng
áp dùng để tăng áp suất của chất khí trong máy
nén ly tâm, động cơ phản lực.

2


Quan hệ giữa tốc độ và hình dạng ống
• Đối với chất lỏng không nén được:
df
d

f


• f và ω luôn dương  df và dω luôn trái dấu 
tốc độ tăng thì tiết diện giảm và ngược lại.

Quan hệ giữa tốc độ và hình dạng ống
• Đối với chất lỏng nén được:
df
d
 ( M 2  1)
f

• ω và f luôn dương nên quan hệ về dấu giữa dω
và df tùy thuộc vào dấu của M.
• Nếu M<1 thì df<0: ống tăng tốc có tiết diện
nhỏ dần.
• Nếu M>1 thì df>0: ống tăng tốc có tiết diện
lớn dần

Xác định tốc độ của dòng lưu động

• Công thức chung:

2  2lkt  12

• Đối với ống tăng tốc,  2 >>  1 nên có thể bỏ
qua  1, ta có:
  2l
2

kt

• Nếu thay lkt= i1 – i2, ta có: 2  2(i1  i2 )
• Nếu đơn vị của I là J/kg, dùng công thức:

2  44,8 i1  i2

3


Xác định tốc độ của dòng lưu động

k 1


 p2  k 
k

2  2
p1v1 1   
  p1  

k 1



Tốc độ qua ống tăng tốc nhỏ dần

• Khi lưu động qua ống tăng tốc nhỏ dần, tốc độ của
dòng sẽ tăng dần, áp suất và nhiệt độ giảm dần đến
một tiết diện nào đó mà tốc độ dòng bằng tốc độ âm
thanh ( k=ak)  dòng đạt tới trạng thái tới hạn.
• Các thông số tới hạn: vk, pk,  k

Tốc độ qua ống tăng tốc nhỏ dần
• Tốc độ tới hạn:

k 

2k
2k
p1v1 
RT1
k 1
k 1

4


Tốc độ qua ống tăng tốc hỗn hợp (Lavan)
• Dòng trong ống tăng tốc nhỏ dần  tốc độ âm thanh
 sử dụng ống tăng tốc Lavan để đạt tốc độ > tốc độ

âm thanh.
• Tốc độ ở cổ ống ?

Xác định lưu lượng của dòng
• Công thức chung: G  f11  f 22  ...  const
v1
v2
• Lưu lượng ở cửa ra của ống tăng tốc nhỏ dần
bằng lưu lượng ở cổ ống đối với ống Lavan:
2

G  f min

2k p1  2  k 1


k  1 v1  k  1 

2. QUÁ TRÌNH TIẾT LƯU
• Tiết lưu là hiện tượng dòng lưu động qua một tiết
diện bị co hẹp đột ngột, áp suất giảm nhưng không
sinh công. Quá trình tiết lưu không thuận nghịch và
có thể xem như đoạn nhiệt.

5


Tính chất của quá trình tiết lưu
•
•

•
•
•

Áp suất giảm: p = p2 – p1 < 0
Entropi tăng: s = s2 – s1 > 0
Entanpi không đổi: i2 = i1
Tốc độ dòng không đổi: 1 = 2
Hiệu ứng tiết lưu Joule Thomson: xem sách.

3. MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CỦA KHÔNG KHÍ ẨM

• Không khí ẩm (khí quyển) là hỗn hợp gồm
không khí khô và hơi nước. Có thể coi không
khí ẩm là hỗn hợp khí lý tưởng.
• p = ph + pk
• t = th = tk
• G = G h + Gk
• V = V h + Vk

Phân loại không khí ẩm
• Không khí ẩm bão hòa
• Không khí ẩm chưa bão hòa
• Không khí ẩm quá bão hòa

6


Các đại lượng của không khí ẩm
• Độ ẩm tuyệt đối:  h  Gh

(kg/m3)

V

• Độ ẩm tương đối:  

h
p
 h
h
ph
max

• Độ chứa hơi d:

max

G
ph
d  h  0,622
Gkk
p  ph

(kgh/kgk)

• Entanpi: I  ik  d .ih
hoặc: I  1,0048t  d (2500  1,93t ) (đối với
không khí ẩmchưa bão hòa, đơn vị kJ/kg)

Đồ thị I-d

Ứng dụng của đồ thị I-d
• Xác định thông số của không khí ẩm:
Nếu cho biết 2 thông số của không khí ẩm, dựa
vào đồ thị sẽ biết các thông số còn lại.
• Quá trình đốt nóng và làm lạnh:
d không đổi  quá trình là đường song song
trục I.
Nếu đốt nóng  đi từ dưới lên
Nếu làm lạnh  đi từ trên xuống

7


Ứng dụng của đồ thị I-d
• Quá trình hút ẩm và phun ẩm:
I = const  đường biểu diễn song song trục d.
• Quá trình làm việc của hệ thống sấy:
- Lượng k/khí khô cần thiết để làm bốc hơi 1kg ẩm trong vật
muốn sấy:
1
Gk 
d3  d 2
- Lượng k/khí ẩm cần đưa vào:
G1 = Gk (1+d1)
- Lượng k/khí ẩm cần thải ra:
G3 = Gk (1+d3)
- Nhiệt lượng cần thiết để làm bốc hơi 1kg ẩm ở vật sấy:
I I

Q  Gk ( I 2  I 1 )  2 1
d 3  d1

4. QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA MÁY NÉN
• Máy nén dùng để nén khí và hơi đến áp suất theo yêu
cầu.
• Ứng dụng của khí nén: vệ sinh các thiết bị, công chất
trong các thiết bị điều khiển, khởi động động cơ
Diesel cỡ lớn, ...
• Theo cấu tạo và nguyên lý hoạt động, có thể chia máy
nén thành 2 nhóm:
- Nhóm 1: piston, bánh răng, cánh gạt.
- Nhóm 2: ly tâm, hướng trục, ejector.
Chương trình này chỉ nghiên cứu máy nén piston.

Nguyên lý làm việc của máy nén piston 1 cấp

Cấu tạo: van nạp khí (1), van xả khí (2),
piston(3), xy lanh (4)

8


Các quá trình của máy nén khí
• Quá trình nạp:
Đẳng áp AB
• Quá trình nén:
Đẳng nhiệt BC
Đa biến BC1
Đoạn nhiệt BC2

• Quá trình xả: Đẳng
áp CD

Công tiêu thụ của máy nén
• Công thức chung ứng với 1 kg khí nén:
lkt 

n
( p2 v2  p1v1 )
n 1

• Nếu nén đẳng nhiệt (n=1):
lkt  RT ln

p1
p2

Công tiêu thụ của máy nén
• Nếu nén đoạn nhiệt (n=k):
lkt  

k
( p2 v2  p1v1 )
k 1

• Hoặc:
k


 p2  k 1 

k



lkt  
p1v1    1
 p1 

k 1



• Hoặc có thể thay p1v1=RT1 vào công thức trên.

9