Giáo trình Nhiệt kỹ thuật: Phần 1

pdf

87

4.7 (
19 lượt)

871 MB15

Nhấn vào bên dưới để tải tài liệu

Đang xem trước 10 trên tổng 87 trang, để tải xuống xem rất đầy đủ hãy nhấn vào bên trên

Chủ đề tương quan

Tài liệu tương tự

Nội dung

Tác giả: PGS.TS. Phạm Hữu Tân
Hiệu đính: PGS.TS. Trần Hồng Hà

NHIỆT KỸ THUẬT

NHÀ XUẤT BẢN HÀNG HẢI – 2015

Tác giả: PGS.TS. Phạm Hữu Tân
Hiệu đính: PGS.TS. Trần Hồng Hà

NHIỆT KỸ THUẬT

NHÀ XUẤT BẢN HÀNG HẢI – 2015
1

MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC……………………………………………………………………….2
LỜI NÓI ĐẦU…………………………………………………………………4
Phần thứ nhất. N IỆT Đ NG
Chương 1. NH NG

Ỹ T UẬT………………………………..5

I NIỆM CƠ ẢN…………………………………6

1.1. Hệ nhiệt động…………………………………………………………6
1.2. Các thông số trạng thái cơ bản……………..…………………………8
1.3. Phƣơng trình trạng thái của chất khí…………………………………13
1.4. Nhiệt lƣợng và cách tính nhiệt………………………………………21
1.5. Các loại công…….…………………………………………………..27
Chương 2: Đ N LUẬT N IỆT Đ NG
C T Ứ N ẤT V C C QU
TR N CƠ ẢN CỦ M I C ẤT Ở T Ể
V
ƠI …………..31
2.1. Nội dung và ý nghĩa của định luật nhiệt động I…………………..…31
2.2. Các dạng biểu thức của định luật nhiệt động I………………………31
2.3.

ng dụng của định luật nhiệt động I…………………………………32

2.4. Các quá trình nhiệt động của khí lý tƣởng………………….……….33
2.5. Các quá trình nhiệt động thực tế……………………………………..50
2.6. Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi nƣớc…………………..…..61
Chương 3: C U TR N

N IỆT Đ NG…………………………………..70

3.1. Một số khái niệm…….………………………………………………70
3.2. Chu trình Carnot thuận nghịch……………..………………………..73
3.3. Chu trình động cơ đốt trong…………………………………………76
3.4. Chu trình động lực hơi nƣớc…………..…………………………….83
Phần 2. TRUYỀN N IỆT…………………………………………………..87
Chƣơng 4: DẪN N IỆT…………………………………………………….89
4.1. Những khái niệm cơ bản..……………………………………………89
4.2. Dẫn nhiệt ổn định không có nguồn nhiệt bên trong…..……………..95
2

Chương 5: TR O ĐỔI N IỆT ĐỐI LƢU………………………………..102
5.1. Khái niệm cơ bản về trao đổi nhiệt đối lƣu………………..……….102
5.2. Công thức Newton và phƣơng pháp xác định hệ số tỏa nhiệt………104
5.3. Trao đổi nhiệt đối lƣu tự nhiên…………….……………………….109
5.4. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức……………..……………………113
Chương 6: TR O ĐỔI N IỆT ỨC XẠ…………………………………118
6.1. Các khái niệm cơ bản……………………………………………….118
6.2. Các định luật cơ bản về bức xạ……………………………………..121
6.3. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa các vật rắn trong môi trƣờng trong suốt …..123
6.4. Bức xạ chất khí……..………………………………………………127
Chương 7: TRUYỀN N IỆT V T IẾT

TR O ĐỔI N IỆT………131

7.1. Khái niệm chung…….……………………………………………..131
7.2. Truyền nhiệt ổn định qua vách phẳng……………….……………..132
7.3. Truyền nhiệt ổn định qua vách trụ…………………………………135
7.4. Truyền nhiệt qua vách có cánh……………..………………………137
7.5. Tăng cƣờng truyền nhiệt………….………………………………..138
7.6. Thiết bị trao đổi nhiệt……………………………………………….139
I TẬP…………………………………………………………………….146
P Ụ LỤC……………………………………………………………………155
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………….166

3

LỜI NÓI ĐẦU
Môn học Nhiệt kỹ thuật là môn học cơ sở cho các chuyên ngành kỹ thuật
của tất cả các hệ trong các trường đại học và cao đẳng trên cả nước. Vì vậy
nhu cầu về tài liệu cho sinh viên là rất lớn. Chính vì nhu cầu đó mà tác giả cho
ra mắt cuốn Giáo trình Nhiệt kỹ thuật, nhằm giúp cho sinh viên có đủ tài liệu
để nắm vững kiến thức của môn học.
Tài liệu được biên soạn dựa trên cơ sở của nội dung giảng dạy cho môn
học nhiệt kỹ thuật đã được thẩm định của hội đồng chuyên ngành Máy tàu biển
của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, đã được Bộ Giao thông vận tải và Bộ
Giáo dục và đào tạo phê duyệt. Chính vì vậy mà cuốn giáo trình Nhiệt kỹ thuật
có thể được sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho chuyên ngành Khai thác máy
tàu biển của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam và cũng có thể làm tài liệu
tham khảo cho các chuyên ngành khác có liên quan.
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật gồm có các phần: Phần “Nhiệt động kỹ thuật” có
3 chương nghiên cứu những qui luật biến đ i n ng lượng có liên quan đến
nhiệt n ng trong các quá tr nh nhiệt động, nhằm t m ra những phương pháp
biến đ i có lợi nhất giữa nhiệt n ng và cơ n ng. Phần “Truyền nhiệt” gồm có
4 chương nghiên cứu về các quy luật phân bố nhiệt độ và trao đ i nhiệt trong
không gian và theo thời gian giữa các vật có nhiệt độ khác nhau. Phần “Bài
tập” có nhiều mức độ khác nhau, có thể dùng cho các trường trung cấp, cao
đẳng, đại học và cũng có thể dùng để kiểm tra kiến thức đầu vào cho các học
viên cao học. Cuối cuốn sách có phần phụ lục cung cấp đủ số liệu cần thiết để
giải các bài tập.
Giáo trình có thể là tài liệu học tập cho các sinh viên chuyên ngành khai
thác máy tàu biển và các ngành kỹ thuật có liên quan. Do thời lượng hạn chế
để phù hợp với chương tr nh đào tạo chuyên ngành, nội dung cuốn sách không
thể giới thiệu hết được các nội dung của phần Nhiệt kỹ thuật.
Mặc dù tác giả đã hết sức cố gắng kế thừa những kiến thức trong các tài
liệu tham khảo, nhưng nội dung cuốn sách chắc chắn sẽ không tránh khỏi
những thiếu sót. Tác giả kính mong nhận được sự góp ý của các bạn đồng
nghiệp và bạn đọc gần xa. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Khoa Máy tàu biển Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 484 Lạch Tray – Ngô Quyền – Hải Phòng.
Hải Phòng, 2014
Tác giả

4

Phần thứ nhất
NHIỆT Đ NG

Ỹ T UẬT

Nhiệt động k thuật là môn h c nghiên cứu những qui luật biến đổi năng
lƣợng có liên quan đến nhiệt năng trong các quá trình nhiệt động, nh m tìm ra
những phƣơng pháp biến đổi có lợi nhất giữa nhiệt năng và cơ năng. Cơ sở
nhiệt động đã đƣợc xây dựng từ thế kỷ XIX, khi xuất hiện các động cơ nhiệt.
Môn nhiệt động đƣợc xây dựng trên cơ sở hai định luật cơ bản: định luật
nhiệt động thứ nhất và định luật nhiệt động thứ hai. ịnh luật nhiệt động thứ
nhất chính là định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lƣợng áp dụng trong lĩnh
vực nhiệt, nó cho ph p xác định số lƣợng nhiệt và công trao đổi trong quá trình
chuyển hoá năng lƣợng. ịnh luật nhiệt động thứ hai xác định điều kiện, mức
độ biến đổi nhiệt năng thành cơ năng, đồng thời xác định chiều hƣớng của các
quá trình xẩy ra trong tự nhiên, nó đặc trƣng về mặt chất lƣợng của quá trình
biến đổi năng lƣợng.
Những kết quả đạt đƣợc trong lĩnh vực nhiệt động kĩ thuật cho ph p ta xây
dựng cơ sở lí thuyết cho các động cơ nhiệt và tìm ra phƣơng pháp đạt đƣợc
công có ích lớn nhất trong các thiết bị năng lƣợng nhiệt.
+ ối tƣợng nghiên cứu của nhiệt động h c k thuật: Nhiệt động h c k
thuật là môn h c khoa h c tự nhiên, nghiên cứu những qui luật về biến đổi
năng lƣợng mà chủ yếu là nhiệt năng và cơ năng nh m tìm ra các biện pháp
biến đổi có lợi nhất giữa nhiệt năng và cơ năng.
+ Phƣơng pháp nghiên cứu: Nhiệt động h c đƣợc nghiên cứu b ng phƣơng
pháp giải tích, thực nghiệm hoặc kết hợp cả hai.
– Nghiên cứu b ng phƣơng pháp giải tích: ứng dụng các định luật vật lý kết
hợp với các biến đổi toán h c để tìm ra công thức thể hiện qui luật của các hiện
tƣợng, các quá trình nhiệt động.
– Nghiên cứu b ng phƣơng pháp thực nghiệm: tiến hành các thí nghiệm để
xác định giá trị các thông số thực nghiệm, từ đó tìm ra các qui luật và công
thức thực nghiệm.

5

Chương 1. N

NG

I NIỆM CƠ ẢN

Ệ N IỆT Đ NG

1.1 .

1.1.1. Động cơ nhiệt và bơm nhiệt
1. Động cơ nhiệt
ộng cơ nhiệt là máy nhiệt hoạt động theo nguyên lý: Chất môi giới nhận
nhiệt từ nguồn nóng, sau đó giãn nở để biến một phần thành công và cuối cùng
nhả phần nhiệt còn lại cho nguồn lạnh.
Nguồn nóng: – Hoá năng của nhiên liệu;
– Phản ứng hạt nhân;
Nguồn lạnh: – Môi trƣờng xung quanh;
– Chất nhận nhiệt khác.
ộng cơ nhiệt trong thực tế bao gồm động cơ đốt trong, động cơ tua bin khí
và hơi, động cơ phản lực.
2.

nh ho c ơm nhiệt

Máy lạnh hay bơm nhiệt hoạt động theo nguyên lý: Nhờ nguồn năng lƣợng
bên ngoài (Điện n ng, cơ n ng) chất môi giới nhận nhiệt từ nguồn có nhiệt độ
thấp rồi đem nhiệt lƣợng đó cùng với phần nhiệt năng do năng lƣợng cung cấp
từ bên ngoài truyền cho nguồn có nhiệt độ cao hơn.
1.1.2. Chất môi giới
1. Chất môi giới
Chất môi giới là chất trung gian để biến hoá nhiệt năng thành cơ năng, hoặc
các dạng năng lƣợng khác thành nhiệt năng.
Thông thƣờng, chất môi giới ở thể lỏng, khí và hơi. Khi ở thể khí và hơi,
chất môi giới có khả năng giãn nở lớn để sinh công.
 Trong máy lạnh, chất môi giới tồn tại ở dạng lỏng và khí (thƣờng g i là
công chất);
 Trong nồi hơi, tua bin hơi, chất môi giới thƣờng là hơi nƣớc;
 Trong động cơ đốt trong, chất môi giới là sản phẩm cháy của nhiên liệu.
6

2. Khí ý tưởng và khí thực
a. Khí lý tưởng
Khí lý tƣởng là khí không có lực tƣơng tác giữa các phân tử và thể tích của
bản thân phân tử b ng không. Không khí, hơi nƣớc và các hơi công chất ở
trạng thái quá nhiệt đƣợc coi là khí lý tƣởng.
b. Khí thực
Khí thực là các khí tồn tại trong thực tế. (có khoảng cách và có thể tích
riêng của các phân tử). Hơi nƣớc trong nồi hơi, hơi công chất ở trạng thái hơi
bão h a là khí thực.
1.1.3.

ệ nhiệt động và ph n oại hệ nhiệt động

1. Nguồn nhiệt
 Nguồn hoặc vật có nhiệt độ cao đƣợc g i là nguồn nóng;
 Nguồn hoặc vật có nhiệt độ thấp đƣợc g i là nguồn lạnh;
 Nguồn nóng và nguồn lạnh g i chung là nguồn nhiệt.
2. Hệ nhiệt ộng
Tập hợp tất cả các đối tƣợng nghiên cứu đƣợc tách ra để nghiên cứu về
nhiệt đƣợc g i là hệ thống nhiệt. Tất cả các vật chất xung quanh đƣợc g i là
môi trƣờng.
Ví dụ: Khi nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ đốt trong thì không
gian giữa thành vách xilanh, nắp xilanh, đ nh piston là hệ thống nhiệt, xilanh
và piston là vách, khí và nƣớc xung quanh là môi trƣờng.
3. Phân o i hệ nhiệt ộng
a. Hệ thống kín
Hệ thống kín là hệ thống mà chất môi giới không qua mặt gianh giới và
khối lƣợng chất môi giới trong hệ thống không thay đổi.
Máy lạnh, bơm nhiệt, hệ động lực hơi nƣớc… đƣợc coi là hệ thống kín.
b. Hệ thống hở
Hệ thống hở là hệ thống mà khối lƣợng chất môi giới thay đổi, chất môi
giới có thể đi ra, vào qua mặt ranh giới.
Ví dụ: ộng cơ đốt trong, động cơ phản lực… là hệ thống hở.
7

c. Hệ thống cô lập
Hệ thống cô lập là hệ thống không có bất kỳ sự trao đổi năng lƣợng nào với
môi trƣờng.
d. Hệ thống đoạn nhiệt
Hệ thống đoạn nhiệt là hệ thống không có trao đổi về nhiệt với môi trƣờng.


Trong thực tế không có hệ thống cô lập và đoạn nhiệt;



Khi khảo sát hệ thống mà năng lƣợng trao đổi với môi trƣờng rất bé so
với năng lƣợng khảo sát thì coi là hệ thống cô lập hoặc đoạn nhiệt, ta
có thể bỏ qua sai số để dễ tính toán.

1.2. C C T

NG SỐ TRẠNG T

I CƠ ẢN

Trạng thái biểu thị tổng hợp tất cả các đặc trƣng vật lý của chất môi giới ở
một thời điểm nào đó.
Những đại lƣợng có trị số hoàn toàn xác định của trạng thái xác định g i là
thông số trạng thái của chất môi giới và là hàm đơn trị.
Trạng thái cân b ng là trạng thái không tự mất đi trừ khi có tác động bên
ngoài nhƣ gia nhiệt, nén. Kết thúc tác động thì trở về trạng thái cân b ng mới.
Trong nhiệt động k thuật ch nghiên cứu trạng thái cân b ng.
1.2.1. Nhiệt độ
Nhiệt độ là thông số trạng thái biểu thị mức độ nóng hoặc lạnh của môi
chất, nó thể hiện mức độ chuyển động của các phân tử và nguyên tử. Theo
thuyết động h c phân tử thì nhiệt độ là đại lƣợng thống kê, tỷ lệ thuận với động
năng chuyển động tịnh tiến trung bình của các phân tử.
T 

m 2
3k

(1-1)

Trong đó: T – Nhiệt độ tuyệt đối của vật [K];
m- Khối lƣợng phân tử [kg];

 -Vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử
[m/giây];
k – H ng số Bôzman, k = 1,3805.10 – 23 [J/K].

8

Nhƣ vậy, tốc độ chuyển động trung bình của các phân tử càng lớn thì nhiệt
độ của vật càng lớn.
Trong hệ thống SI thƣờng dùng hai thang đo nhiệt độ là :
– Thang nhiệt độ bách phân: nhiệt độ ký hiệu b ng chữ t, đơn vị đo nhiệt
độ bách phân là Celsius [0C] ;
– Thang nhiệt độ tuyệt đối: nhiệt độ ký hiệu b ng chữ T, đơn vị đo nhiệt
độ tuyệt đối là Kenvin [K].
–

Hai thang đo nhiệt độ này có mối quan hệ với nhau b ng biểu thức:
t 0C = T0K – 273,15

(1.2)

Nghĩa là 00C tƣơng đƣơng với 273,15K. Giá trị mỗi độ chia trong hai thang
này b ng nhau; dT = dt.
Ngoài ra, một số nƣớc nhƣ nh, M c n dùng thang nhiệt độ ahrenheit,
đơn vị đo là 0F và thang nhiệt độ Rankin, đơn vị đo là 0R. iữa 0C, 0F và 0R có
mối quan hệ nhƣ sau :
t 0C  T 0 K  273,15 





5 0
5
t F  32  T 0 R  273,15
9
9

(1-3)

ể đo nhiệt độ, ngƣời ta dùng các công cụ khác nhau nhƣ: nhiệt kế thủy
ngân, nhiệt kế khí, nhiệt kế điện trở, cặp nhiệt, quang kế v.v…
1.2.2. Áp suất tu ệt đối
Lực của chất môi giới tác dụng thẳng góc lên một đơn vị diện tích bề mặt
tiếp xúc g i là áp suất tuyệt đối của chất môi giới môi chất. p suất tuyệt đối
ký hiệu là p.
Theo Thuyết động h c phân tử, áp suất tỷ lệ với động năng chuyển động
tịnh tiến trung bình của các phân tử với số phân tử môi chất trong một đơn vị
thể tích:

p   .n.

m 2
3

(1.4)

Trong đó: n – Số phân tử môi chất trong một đơn vị thể tích;

 – Hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào kích thƣớc bản thân phân tử và lực
tƣơng tác giữa các phân tử, áp suất càng nhỏ, nhiệt độ càng cao
thì  càng gần tới 1.
9

Source: https://vvc.vn
Category : Kỹ Thuật Số