1. Trang Chủ
  2. Điện - Điện tử
  3. Giáo trình Cơ sở thủy khí và máy thủy khí (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng nghề Đồng Tháp

Giáo trình Cơ sở thủy khí và máy thủy khí (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng nghề Đồng Tháp

Giáo trình Cơ sở thủy khí và máy thủy khí cung cấp cho người học những kiến thức như: Thủy tĩnh học; động học chất lỏng; động lực học chất lỏng; chuyển động một chiều của chất lỏng; tính toán thủy lực đường ống; nhiệt động học và đồ thị khí nén. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 2 giáo trình. CHƯƠNG 5: CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT LỎNG Mã chương: MH 32-05 Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức về thí nghiệm reynolds, chế độ dòng chảy, tổn thất năng lượng,

Thể loại Tài liệu miễn phí Điện - Điện tử

Số trang 60

Ngày tạo 4/10/2023 4:00:44 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.30 M

Tên tệp

Tải Giáo trình Cơ sở thủy khí và máy thủy khí (Nghề: K... (.pdf)

Xem mẫu

  1. CHƯƠNG 5: CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU CỦA CHẤT LỎNG Mã chương: MH 32-05 Giới thiệu: Chương này cung cấp cho sinh viên học sinh những kiến thức về thí nghiệm reynolds, chế độ dòng chảy, tổn thất năng lượng, tổn thất dọc đường, tổn thất cục bộ,các dạng bài toán đơn giản, phức tạp. Mục tiêu: Kiến thức: + Hiểu được quy luật chuyển động của chất lỏng + Hiểu được tổn thất năng lượng trong dòng chảy Kỹ năng: + Trình bày được quy luật chung về tổn thất năng lượng, các dạng tổn thất năng lương trong dòng chảy và vẽ được đồ thị Nicuratze. + Mô tả được hai trạng thái dòng chảy và trình bày được thí nghiệm Reynolds. + Trình bày được cơ sở lý thuyết về bôi trơn thuỷ động. Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác và có tư duy khoa học. Nội dung chính: 1. TỔN THẤT NĂNG LƯỢNG TRONG DÒNG CHẢY 1.1. Hai trạng thái chảy của chất lỏng * Thí nghiệm Reynolds: 39
  2. Thùng lớn A chứa nước (nước được giữ yên tĩnh tuyệt đối) Thùng B (thùng lường) để đo lưu lượng nước chảy ra. Ống thủy tinh được gắn chặt với thùng A, có đường kính trong không đổi. một đầu loe ra ngoài để nước chảy trong ống không có tổn thất, đầu kia dùng khóa K1 để điều chỉnh lưu lượng và vận tốc nước trong ống. Thùng C: chứa nước màu (trọng lượng riêng nước màu và nước bằng nhau). Được dẫn qua ống kim loại đến kim rỗng được đặt trùng với trục ống thủy tinh, lưu lượng nước màu được điều chỉnh nhờ khóa K2. Ta tiến hành thí nghiệm như sau: Mở nhẹ khóa K1 sao cho vận tốc nước trong ống thủy tinh nhỏ, sau khi cho nước chảy ổn định mở khóa K2 sao cho nước màu chảy vào ống thủy tinh. Ta nhận thấy nước màu chảy thành một vệt như sợ chỉ điều này chứng tỏa nước và nước màu chảy hoàn toàn riêng lẻ nhau. Tiếp tục mở khóa K1 hiện tượng trên tiếp tục xảy ra trong một khoảng thời gian nữa cho đến khi K1 đạt một vị trí xác định tức vận tốc trong ống có một vị trí xác định thì lớp màu bắt đầu giao động lượng sóng nếu tiếp tục mở K 1 nữa thì vệt nước màu sẽ được đứt đoạn, và cứ thế tiếp tục thì nước màu hòa lẫn vào môi trường nước. điều này chứng tỏa nước và nước màu chuyển động hỗn loạn và hoàn toàn xáo trộn lẫn nhau. Ta làm ngược lại đóng dần khóa K1 đến một lúc nào đó vệt màu xuất hiện trở lại và cuối cùng căng như sợ chỉ ban đầu. Qua thí nghiệm của Reynolds ông đã chỉ ra có 3 trạng thái chuyển động của chất lỏng: Tầng - quá độ - rối. * Phân loại trạng thái chảy: - Trạng thái chảy tầng: khi các phân tử chất lỏng chuyển động từng lớp riêng rẽ nhau không xáo trộn lẫn nhau. - Trạng thái chảy rối: khi các phân tử chất lỏng chuyển động hỗn độn, xáo trộn lẫn nhau. - Trạng thái dòng chảy trong đó các phân tử chất lỏng chảy trung gian: Trạng thái chảy quá độ => Trạng thái chảy quá độ tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn và không ổn định. - vpg = f (đường kính ống và loại chất lỏng) 40
  3. 𝑡 - Vận tốc phân giới trên (𝑣𝑝𝑔 ): là vận tốc khi các phân tử chất lỏng chuyển động từ trạng thái chảy tầng →chảy rối 𝑑 - Vận tốc phân giới dưới (𝑣𝑝𝑔 ): là vận tốc khi các phân tử chất lỏng chuyển động từ trạng thái chảy rối →chảy tầng. 𝑡 𝑑 𝑣𝑝𝑔 > 𝑣𝑝𝑔 𝑑 Nếu 𝑣 < 𝑣𝑝𝑔 : Trạng thái chảy tầng 𝑡 Nếu 𝑣 > 𝑣𝑝𝑔 : Trạng thái chảy rối * Số Reynolds: vpg: Phụ thuộc vào loại chất lỏng trong ống thủy tinh, đường kính ống làm thí nghiệm như vậy không thể dùng vpg để làm tiêu chuẩn phân loại trạng thái chảy với mọi loại ống mọi chất lỏng. Theo Reynolds (Re) trạng thái chảy phụ thuộc vào tổ hợp không thứ nguyên bao gồm các yếu tố ảnh hưởng sự chuyển động của chất lỏng. - Vận tốc trung bình tiết diện ướt : v (m/s) - Đường kính ống làm thí nghiệm : d (m) - Hệ số nhớt động học :  (m2/s) Từ đó suy ra hệ số Reynolds là:  .d m m Re = ( . )  s m2 Hệ số Re không có đơn vị. s Khi Re < 2320 : Dòng chảy tầng. Khi Re  2320 : Dòng chảy rối. Nếu ống không tròn thì ta tìm theo bán kính thủy lực Re Rh .Rh Re Rh =  Thấy Re = 4ReRh - Re < 2320 hoặc Repg < 580 ta suy ra dòng chảy tầng - Re  2320 hoặc Repg  580 ta suy ra dòng chảy rối.  tpg .d  pg d .d vpgt → Re t = vpgd → Re d =   pg pg 41
  4. Nếu Re < Redpg → dòng chảy tầng. Nếu Re > Retpg → dòng chảy rối. Redpg < Re < Repgt → có thể dòng chảy tầng hoặc chảy rối nhưng thường ta chọn chế độ dòng chảy rối. 1.2. Quy luật tổn thất năng lượng trong dòng chảy Trong quá trình chuyển động năng lượng riêng của dòng chảy bị tiêu hao được khắc phục các lực cản, một phần làm nóng vật hoặc môi trường tiếp xúc với chất lỏng, một phần nóng bản thân chất lỏng. phần năng lượng này không thu hồi được, hiện tượng này làm giảm đáng kể hiệu suất hệ thống thủy lực. Trong phương trình Becnully tham số hw12 là năng lượng tính cho một đơn vị trọng lượng chất lỏng của dòng chảy bị tiêu hao để khắc phục các trở lực trong quá trình chuyển động. hw12:Tổn thất năng lượng đơn vị hay còn gọi Tổn thất cột áp. Các trở lực này có thể là do: - Lực ma sát nhớt gây ra trong nội bộ dòng chảy. - Do sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử chất lỏng va vào nhau. - Hoặc những nơi này dòng chảy bị thay đổi đột ngột. Tổn thất năng lượng trong dòng chảy (sức cản thủy lực) chia làm 2 loại: - Tổn thất dọc đường (hd) - Tổn thất cục bộ (hc) => hw12 = hd + hc * Tổn thất dọc đường: Là tổn thất xảy ra dọc theo đường di chuyển của dòng chảy (tổn thất cần thiết để thắng sức cản do ma sát) * Tổn thất cục bộ: Là tổn thất mà xảy ra tập trung tại một nơi nào đó của dòng chảy. Ví dụ: Khóa, van, lưới lọc… hoặc tại những nơi dòng chảy bị thu hẹp bị mở rộng, co hẹp, uốn khúc một cách đột ngột (dòng chảy bị biến dạng đột ngột) ….(tổn thất do sự thay đổi hình dạng mặt biên của dòng chảy) 2. DÒNG CHẢY TRONG ỐNG TRÒN 2.1. Dòng chảy tầng trong ống 42
  5. Xét chuyển động một chiều (u ≠ 0) trong ống nằm ngang do độ chênh áp 𝜕 (p1 > p2) của chất lỏng chuyển động dừng = 0, bỏ qua lực khối 𝐹 = 0. 𝜕𝑡 𝑑𝑝 ∆𝑝 𝛾ℎ𝑤 =− =− = −𝛾𝐽 𝑑𝑥 𝑙 𝑙 Với J – độ dốc thủy lực. 2.2. Dòng chảy rối trong ống 𝑑𝑢 Ở trạng thái chảy tầng, theo Newton 𝜏 = 𝜇 𝑑𝑦 Ở trạng thái chảy rối, người ta đưa vào hệ số nhớt bổ sung 𝜏𝑡 = 𝑑𝑢 (𝜀 + 𝜇) 𝑑𝑦 3. CHẢY TẦNG TRONG CÁC KHE HẸP Trong kỹ thuật, giữa các chi tiết máy có những khe hỡ nến có sự rò rỉ của chất lỏng (xăng, dầu…) do chất lỏng làm việc dưới áp suất cao. Nên cần tính toán độ khít cần thiết của những khe hở đó, hạn chế lưu lượng rò rỉ … 3.1. Dòng chảy giữa hai tấm phẳng song song Với những điều kiện như dòng chảy tầng trong ống và do khe hẹp nên u = u(y). Phương trình vi phân chuyển động có dạng: 𝑑 2 𝑢 1 𝑑𝑝 = 𝑑𝑦 2 𝜇 𝑑𝑥 Với điều kiện biên: tại y = 0 và y = h; u = 0 Sau khi tích phân ta sẽ được phân bố vận tốc có dạng parabol 1 𝑑𝑝 𝑢=− 𝑦(ℎ − 𝑦) 2𝜇 𝑑𝑥 Vận tốc max (tại y = h/2) 1 𝑑𝑝 2 𝑢𝑚𝑎𝑥 = − ℎ 8𝜇 𝑑𝑥 Lưu lượng: ℎ 𝑏 𝑑𝑝 3 1 ∆𝑝 3 𝑄 = ∫ 𝑏𝑢𝑑𝑦 = − ℎ = ℎ 𝑏 0 12𝜇 𝑑𝑥 12𝜇 𝑙 Vận tốc trung bình: 43
  6. 𝑄 2 𝑣= = 𝑢𝑚𝑎𝑥 𝑏ℎ 3 Trong đó b - bề rộng tấm phẳng. l - chiều dài của khe. 3.2. Dòng chảy dọc trục giữa hai trụ tròn 𝐷𝑛 + 𝐷𝑡 𝐷= 2 𝐷𝑛 + 𝐷𝑡 𝛿= 2 Xét δ
  7. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Các trạng thái chảy của chất lỏng và quy luật chuyển động của chất lỏng, tổn thất năng lượng trong dòng chảy 2. Nêu dòng chảy tầng và dòng chảy rối trong ống tròn là gì. 3. Các dạng chảy tầng trong các khe hẹp. 4. Các cơ sở lý thuyết bôi trơn thủy động. 45
  8. CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG Mã chương: MH 32-06 Giới thiệu: Trong kỹ thuật và trong thực tiễn sản xuất ta gặp nhiều trường hợp các loại chất lỏng chảy trong các đường ống có áp khác nhau với các nhiệm vụ khác nhau (Như ống dẫn nước trong hệ thống cung cấp nước, ống dẫn nhiên liệu, dẫn hoá chất trong các thiết bị máy móc, hệ thống truyền động, truyền lực....). Mục đích tính toán thuỷ lực đường ống là thiết kế hệ thống đường ống mới hoặc kiểm tra để sửa chữa, điều chỉnh hệ thống sẵn có cho phù hợp với yêu cầu cụ thể là xác định một trong các thông số: Lưu lượng Q; Cột áp H tại đầu hoặc cuối đường ống, đường kính d hoặc cả d và H. Mục tiêu: Kiến thức: + Hiểu được cơ sở lý thuyết để tính toán đường ống + Hiểu được các loại đường ống và công thức tính toán Kỹ năng: + Trình bày được cơ sở lý thuyết để tính toán đường ống. + Phân loại được các loại đường ống và viết được công thức tính toán. + Giải được các bài toán về đường ống đơn giản. + Tính toán được cho đường ống phức tạp Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác và có tư duy khoa học. Nội dung chính: 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ TÍNH TOÁN ĐƯỜNG ỐNG 1.1. Phân loại Dựa vào đặc điểm tổn thất năng lượng trong đường ống h w, chia đường ống thành 2 loại: Đường ống ngắn: Là đường ống có chiều dài không đáng kể, khi đó tổn thất cục có giá trị lớn hc > 10%hw. 46
  9. Đường ống dài: hd là chủ yếu, bỏ qua hc, hc >d (hàng 1000 lần). Căn cứ vào kết cấu đường ống chia ra: - Đường ống đơn giản: là đường ống có đường kính d và Q không đổi dọc theo chiều dài. - Đường ống phức tạp: là đường ống d và Q thay đổi dọc theo chiều dài.1.2. Những công thức dùng trong tính toán thủy lực đường ống 1.2. Những công thức dùng trong tính toán thủy lực đường ống Phương trình Becnuli đối với chất lỏng thực p1  1v12 p2  2 v22 Z1 + + = Z2 + + + hw  2g  2g Hay H1 = H2 + hw Phương trình lưu lượng: Q = v.ω Công thức tính hw: l v2 v2 hwd = hwc = d 2g 2g 2. BỐN BÀI TOÁN CƠ BẢN VỀ ĐƯỜNG ỐNG ĐƠN GIẢN 2.1. Tính H1 khi biết H2, Q, l, d, n (độ nhám tương đối) Từ phương trình Becnully ta suy ra: H = H1 - H2 = hw  l  8Q 2 H = hw =    +  . 2  d   g.d 4 2.2. Tính Q khi biết H1, H2, l, d, n Giải bằng 2 phương pháp: - Phương pháp cột áp tới hạn (Hc) khi không có cản cục bộ. Ta có: H = H1 - H2 = Hd 32v 2 l Hd = . Re g.d 3 - Nếu chất lỏng chảy tầng:  = 64/Re. 47
  10. 128vl gd 4 H= Q→Q= H gd 4 128vl - Nếu H > Hc: chảy rối, nên tính  bằng phương pháp thử dần. - Phương pháp biểu đồ (cho cả 0). Cho các trị số Q, vẽ H(Q) theo công thức ở trên từ biểu đồ đó khi cho H sẽ có Q tương ứng. 2.3. Tính d khi biết H1, H2, Q, l, n Từ biểu thứ trên ta suy ra: 8  l 2 d4 =    +  Q  gH  2 d Tìm d bằng đồ thị:  y1 = d 4   8 l 2  y 2 =  2 gH (   +  )Q  d Giao điểm 2 đường cong đó chiếu xuống hoành độ là d cần tìm. 2.4. Tính d, H1 khi biết H2, Q, l, n Tính trước d theo vkt: vận tốc kinh tế đã xác định hay vtb sau đó ta tính H như bài toán số 1. 3. TÍNH TOÁN ĐƯỜNG ỐNG PHỨC TẠP Dựa trên cơ sở tính toán bài toán đơn giản. 3.1. Hệ thống đường ống nối tiếp Ta có quan hệ: 48
  11. Q = Q1 = Q2 = …..= Qn. H = H1 + H2 + …..+ Hn. Chọn H sao cho thích hợp. 2  l  8Q H 1 =    +  . 2 1 4 = W1.Q12  d   g.d H 2 = W2 Q22 H = (W1 + W2 + .... + Wn )Q 2 = 1 S i Q 2 n Bằng phương pháp đồ giải: xây dựng đường quan hệ H - Q. 3.2. Hệ thống đường ống nối song song Đặc điểm thủy lực: Q = Q1 + Q2 + …..+ Qn. H = H1 = H2 = …..= Hn. H = W1Q12 = W2Q22 =….= WnQn2 W1 Suy ra: Q2 = Q1 W2 W1 Q3 = Q1 W3  W1 W1 W1  Q = 1 + + + ..... + Q1   W2 W3 Wn  Q2 H = H 1 = W1.  W1 W1 W1  1 + + + ... +   W W W   2 3 n  Tương tự, có thể giải bằng đồ thị. 49
  12. 3.3. Hệ thống đường ống phân phối liên tục Qff = q.l ( trong đó q: lưu lượng trên 1 đơn vị dài). QM = Qv – Qff.x/l = Qf + Qff – Qff.x/l. Tính tổn thất năng lượng dh trên dx ( coi lưu lượng không đổi trên dx) với  = 0. 2 dx  8 Q  dh = 2  3  Q1 +Qn − n x  suy ra  g d  l  dx  2  l 8 1 hd =  dh =  5  Q f +Q f .Q ff − Q 2ff  0  g 2 d  3  Chính là độ chênh lệch cột áp. Ngoài ra có thể tính toán thủy lực đường ống dài phức tạp dựa trên cơ sở tính toán đường ống ngắn phức tạp bỏ qua hc. 3.4. Hệ thống đường ống phân nhánh hở Q1,Q2,Q3,Q4,Q5: lưu lượng chất lỏng phấn phối theo các vị trí. Các bước tính toán: Bước 1: chọn đường ống cơ bản: là đường ống vận tải năng lượng của chất lỏng lớn nhất; thường chọn Q hay chọn l dài nhất. Bước 2: Tính toán thủy lực cho đường ống đã chọn. 50
  13. Bước 3: Kiểm tra trên đường ống nhánh, xem với năng lượng đã tính có độ tải cho một nhánh không? Không đủ phải chọn lại tính lại. 3.5. Hệ thống đường ống vòng kín Giả sử xét một hệ thống đường ống vòng kín gồm có ống chính AB và một vòng kín BCDEF. Lưu lượng tháo ra ở các điểm B, C, D, E, F là QA , QB , QC , QD , QE và QF . Trước hết ta chọn phương chuyển động của chất lỏng, Lấy điểm xa nhất làm điểm tháo nước cuối cùng. ở sơ đồ này ta có thể lấy điểm D và như vậy chất lỏng sẽ chảy đến điểm D từ hai phía. Sau khi xác định xong hướng chuyển động ta tính toán như ở trường hợp có mạch rẽ song song và tổn thất trong hai nhánh BCD và BEFD bằng nhau: hWBCD = hWBEFD Nếu điều kiện không thảo mãn, phải chọn lại điểm tháo nước cuối cùng hoặc thay đổi đường kính các đoạn ống. 4. BÀI TẬP TÍNH TOÁN ĐƯỜNG ỐNG 4.1. Phương pháp dùng hệ số đặc trưng lưu lượng K Phương phápnày dùng để tính toán cho đường ống dài, chảy rối và chảy đều có áp. Do ống dài nên H = hW ≈ hWd = Jl . trong đó: J - Độ dốc thuỷ lực ; l - Chiều dài ống. 4.2. Phương pháp đồ thị để tính toán đường ống Dùng phương pháp đồ thị ta có thể xác định được tổn thất năng lượng của đường ống và do đó xác định được cột áp ở đầu đường ống khi biết lưu lượng hoặc ngược lại xác định được lưu lượng chảy qua đường ống khi cho trước cột áp. 4.3. Va đập thủy lực trong đường ống Va đập thuỷ lực là hiện tượng biến đổi áp suất đột ngột khi vận tốc của dòng chảy tăng hay giảm đột ngột. Va đập thuỷ lực có thể chia ra va đập dương (thuận) trong đó vì vận tốc giảm mà gây ra tăng áp suất và va đập âm (nghịch) do vận tốc tăng làm áp suất giảm. Chẳng hạn, nước chảy trong ống có áp. Nếu ngăn cản đột ngột dòng chảy, ví dụ đóng khoá lại thì áp suất trong ống sẽ tăng lên đột ngột. áp suất ngay sát khoá sẽ tăng lên trước, nước sẽ bị nén lại. Sau đó theo mức độ dừng lại của các 51
  14. lớp nước mà sự tăng áp suất sẽ nhanh chóng truyền đi theo đường ống tạo thành sóng tăng áp suất. Sự tăng áp suất truyền đi với tốc độ lớn sẽ làm ép chất lỏng lại và thành ống gibn ra. Sự biến dạng đàn tính của chất lỏng và của ống sẽ sinh ra cùng với tốc độ truyền tăng áp suất theo chiều dài ống. Tốc độ truyền biến dạng đàn tính gọi là tốc độ truyền sóng va đập. Sau khi lớp n−ớc cuối cùng dừng lại thì tất cả nước trong ống đều bị ép. Lúc đó áp suất trong ống lớn hơn áp suất trong bình nên nước chảy ngược về bình, áp suất trong ống sẽ đột ngột hạ xuống. Sự giảm áp suất đó cũng sẽ từng lớp mà truyền tới khoá nước và gọi là sóng va đập nghịch. Thời gian chảy của sóng va đập thuận và va đập nghịch làm thành một pha của sóng va đập. Quá trình sóng va đập xảy ra rất nhanh (bởi vì tốc độ truyền sóng va đập rất lớn). Sự phát sinh ra pha va đập được lặp đi lặp lại theo chu kỳ và giảm dần do có sự tiêu hao năng lượng . Sự tăng cao áp suất khi có va đập thuỷ lực phụ thuộc vào áp suất ban đầu của dòng chảy và lớn hơn rất nhiều so với cột áp tĩnh gây ra dòng chảy. Hiện tượng va đập thuỷ lực khá phức tạp, mãi đến năm 1898 mới được nhà bác học Nga Jucôpxki phân tích có lý luận chặt chẽ. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Các cơ sở lý thuyết để tính toán đường ống. 2. Các loại đường ống và viết được công thức tính toán. 3. Các bài toán cơ bản về đường ống đơn giản. 4. Một vài phương pháp tính toán đường ống đơn giản. 52
  15. CHƯƠNG 7: NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ĐỒ THỊ KHÍ NÉN Mã chương: MH 32-07 Giới thiệu: Nhiệt động lực học nghiên cứu sự biến đổi giữa các dạng năng lượng, cụ thể là nhiệt và công, để tìm cách thực hiện các quá trình biến đỗi đó trên các máy năng lượng như các loại động cơ nhiệt, máy lạnh sao cho có lợi nhất. Mục tiêu: Kiến thức: + Hiểu được khái niệm về trang thái chất khí + Hiểu được một số tính chất cơ bản của chất khí Kỹ năng: + Trình bày được các khái niệm chung về trang thái chất khí. + Trình bày được một số tính chất cơ bản về chất khí so sánh được các đặc điểm khác nhau so với chất lỏng + Giải được một số bài toán đơn giản. Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác và cótư duy khoa học. Nội dung chính: 1. NHIỆT VÀ CÔNG Công và nhiệt là hai hình thái của năng lượng, chúng chỉ xuất hiện khi có sự trao đổi năng lượng giữa các vật chất 1.1. Công Công là đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa môi chất với môi trường khi có chuyển động vĩ mô. Khi thực hiện một quá trình, nếu có sự thay đổi áp suất, thay đổi thể tích hoặc dịch chuyển trọng tâm khối môi chất thì một phần năng lượng nhiệt sẽ được chuyển hóa thành cơ năng. Lượng chuyển biến đó chính là công của quá trình. Ký hiệu là: l nếu tính cho 1 kg, đơn vị đo là j/kg; L nếu tính cho G kg, đơn vị đo j. Qui ước: Nếu l  0 ta nói vật sinh công; 53
  16. Nếu l  0 ta nói vật nhận công. Công không thể chứa trong một vật bất kỳ nào, mà nó chỉ xuất hiện khi có quá trình thay đổi trạng thái kèm theo chuyển động của vật. Về mặt cơ học, công có trị số bằng tích giữa lực tác dụng với độ dời theo hướng lực. Trong nhiệt kỹ thuật thường gặp các loại công sau: công thay đổi thể tích, công lưu động (công thay đổi vị trí), công kỹ thuật (công thay đổi áp suất) và công ngoài. 1.2. Nhiệt lượng Một vật có nhiệt độ khác không thì các phân tử và nguyên tử của nó sẽ chuyển động hỗn loạn và vật mang một năng lượng gọi là nhiệt năng. Khi hai vật tiếp xúc với nhau thì nội năng của vật nóng hơn sẽ truyền sang vật lạnh hơn. Quá trình chuyển nội năng từ vật này sang vật khác gọi là quá trình tuyển nhiệt. Lượng nội năng truyền được trong quá trình đó gọi là nhiệt lượng trao đổi giữa hai vật, ký hiệu là: Q nếu tính cho G kg, đơn vị đo là j, q nếu tính cho 1 kg, đơn vị đo là j/kg, Qui ước: Nếu q > 0 ta nói vật nhận nhiệt; Nếu q < 0 ta nói vật nhả nhiệt. Trong trường hợp cân bằng (khi nhiệt độ các vật bằng nhau), vẫn có thể xảy ra khả năng truyền nội năng từ vật này sang vật khác (xem là vô cùng chậm) ở trạng thái cân bằng động. Điều này có ý nghĩa quan trọng khi khảo sát các quá trình và chu trình lý tưởng. 1.3. Nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng của một chất là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của một đơn vị đo lường chất đó lên thêm 1 độ trong một quá trình nào đó. Nói cách khác là nhiệt dung riêng tính cho một đơn vị đo lường. Nhiệt dung riêng của một chất phụ thuộc vào bản chất, áp suất và nhiệt độ của nó. 2. KHÁI NIỆM VỀ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 2.1. Khái niệm Trong thực tế nhiều hệ thống thiết bị nhiệt như máy lạnh, máy điều hòa nhiệt độ, các thiết bị sấy, chưng cất, thiết bị nhà máy điện... chúng thực hiện chuyển tải nhiệt từ vùng này đến vùng khác hoặc biến đổi nhiệt thành công. 54
  17. Máy lạnh, máy điều hoà nhiệt độ tiêu tốn công để chuyển tải nhiệt từ vùng có nhiệt độ thấp (buồng lạnh) đến vùng có nhiệt độ cao hơn (không khí bên ngoài). Tua bin hơi của nhà máy nhiệt điện nhận nhiệt từ nguồn nóng (có nhiệt độ cao), nhả nhiệt cho nguồn lạnh để biến đổi nhiệt thành cơ năng. Để thực hiện được việc đó thì cần có các hệ thống thiết bị nhiệt và môi chất. Muốn thực hiện truyền tải nhiệt và chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng hoặc ngược lại trong các thiết bị nhiệt, phải dùng chất trung gian gọi là môi chất hay chất công tác. Trong thực tế, môi chất thường ở thể lỏng, thể hơi hoặc thể khí vì chúng dễ dàng nén, ép và có khả năng thay đổi thể tích lớn, thuận lợi cho việc trao đổi công. Tập hợp tất cả cỏc vật thể liờn quan với nhau về mặt cơ học và nhiệt được tách ra để nghiên cứu gọi là hệ nhiệt động, cũn những vật khỏc không nằm trong hệ nhiệt động gọi là môi trường xung quanh. Ranh giới giữa hệ nhiệt động và môi trường có thể là một bề mặt cụ thể, cũng có thể là bề mặt tưởng tượng do ta qui ước. Ví dụ khi nghiên cứu quá trình đun nước trong một bình kín thì có thể coi hệ nhiệt động là nước và hơi trong bình, còn môi trường xung quanh là bình và không khí xung quanh. Các vật thể nằm trong hệ có thể trao đổi nhiệt với nhau và với môi trường xung quanh. Có thể phân hệ nhiệt động thành hệ cô lập và hệ đoạn nhiệt, hệ kín và hệ hở. 2.2. Quá trình nhiệt động Bất kỳ sự thay đổi trạng thái nào của vật hoặc của hệ gắn liền với những hiện tượng nhiệt gọi là quá trình nhiệt động. Nói cách khác, trong quá trình nhiệt động phải có ít nhất một thông số trạng thái thay đổi kèm theo sự trao đổi nhiệt hoặc công. Khi môi chất hoặc hệ thực hiện một quá trình, nghĩa là chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác thì trạng thái cân bằng trước bị phá huỷ. Nếu quá trình tiến hành vô cùng chậm để có đủ thời gian xác lập trạng thái cân bằng mới thì thực tế vẫn coi hệ đã thực hiện quá trình cân bằng. Do đó, muốn thực hiện một quá trình cân bằng thì phải tiến hành vô cùng chậm, nghĩa là các điều kiện bên ngoài phải thay đổi vô cùng chậm. Trên đồ thị, đường biểu diễn sự thay đổi trạng thái của môi chất hay của hệ trong quá trình nào đó gọi là đường của quá trình. Lượng thay đổi các thông số trạng thái chỉ được xác định bằng trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình nên chúng không phụ thuộ vào đường đi của quá trình. 55
  18. 3. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA CHẤT CÔNG TÁC 3.1. Nhiệt độ Nhiệt độ là một thông số trạng thái biểu thị mức độ nóng lạnh của vật, nó thể hiện mức độ chuyển động của các phân tử và nguyên tử. Theo thuyết động học phân tử thì nhiệt độ của chất khí là đại lượng thống kê, tỉ lệ thuận với động năng trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử. - Thang nhiệt độ bách phân: nhiệt độ kí hiệu bằng chữ t, đơn vị đo là độ Censius (0C). - Thang nhiệt độ tuyệt đối: nhiệt độ kí hiệu bằng chữ T, đơn vị đo là độ Kenvin (K). Hai thang đo này có quan hệ với nhau bằng biểu thức sau: t (0C) = T (K) - 273,15 Để đo nhiệt độ, người ta dùng các dụng cụ khác nhau như: nhiệt kế thuỷ ngân, nhiệt kế khí, nhiệt kế điện trở, cặp nhiệt, hoả quang kế, v.v.v. 3.2. Áp suất chất khí Lực tác động lên một đơn vị diện tích bề mặt ranh giới theo phương pháp tuyến với về mặt đó. 𝛿𝐹𝑛 𝑃 = lim 𝛿𝐴→𝛿𝐴′ 𝛿𝐴 3.3. Thể tích riêng Thể tích riêng phần (phân thể tích) là thể tích choán chỗ của thành phần thứ I khi thành phần đó ở điều kiện áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp. Thể tích của hỗn hợp bằng tổng các thể tích riêng phần của các thành phần 𝑛 𝑉 = ∑ 𝑉𝑖 𝑖=1 Vi: thể tích của từng thành phần có trong hỗn hợp V: thể tích hỗn hợp 56
  19. 3.4. Nội năng của chất khí Nội năng của một vất là toàn bộ năng lượng bên trong vật đó, gồm nội nhiệt năng và hoá năng và năng lượng nguyên tử. Trong các quá trình nhiệt động, khi không xẩy ra các phản ứng hoá học và phản ứng hạt nhân, nghĩa là năng lượng các dạng này không thay đổi, khi đó tất cả các thay đổi năng lượng bên trong của vật chỉ là thay đổi nội nhiệt năng. Vậy trong nhiệt động học ta nói nội năng nghĩa là nội nhiệt năng. Nội năng bao gồm hai thành phần: nội động năng và nội thế năng. Nội động năng là động năng của chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay, dao động của các phân tử, nguyên tử; còn nội thế năng là thế năng tương tác giữa các phân tử: U = U đ + Uth Chuyển động của các phân tử phụ thuộc vào nhiệt độ của vật, do đó nội động năng là hàm của nhiệt độ: Uđ = f(t), còn lực tương tác giữa các phân tử phụ thuộc vào khoảng các giữa chúng tức là phụ thuộc vào thể tích riêng v của các phân tử, do đó nội thế năng là hàm của thể tích: Uth = f(v). Như vậy nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ T và thể tích v, nói cách khác nó là một hàm trạng thái: U = f(T,v). Khi vật ở một trạng thái xác định nào đó, có giá trị nhiệt độ T và thể tích v xác định thì sẽ có giá trị nội năng U xác định. Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng không, do đó nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T, nghĩa là U = f(T). Trong mọi quá trình, nội năng được xác định bằng: du = CvdT và ∆u = Cv(T2 - T1) Đối với 1kg môi chất, nội năng ký hiệu là u, đơn vị đo là j/kg; Đối với Gkg ký hiệu là U, đơn vị đo là j. Ngoài ra có thể dùng các đơn vị đo khác như: Kcal; KWh; Btu . . . .. Quan hệ giữa các dơn vị đó là: 1kj = 0,239 kcal = 277,78.10-6 kwh = 0,948 Btu. Trong các quá trình nhiệt động, ta chỉ cần biết biến thiên nội năng mà không cần biết giá trị tuyệt đối của nội năng, do đó có thể chọn điểm gốc tuỳ ý mà tại đó nội năng bằng không. Theo qui ước, đối với nước ta chọn u = 0 tại điểm có nhiệt độ t = 0,01 0C và áp suất p = 0,0062 at (điểm 3 thể của nước). 3.5. Năng lượng đẩy Năng lượng đẩy hay thế năng áp suất kí hiệu là D[J] hoặc d[J/kg). 57
  20. Ta đã biết rằng với dòng khí hoặc dòng chất lỏng chuyển động, ngoài động năng và thế năng bên ngoài còn một năng lượng nữa để giúp khối khí dịch chuyển đó chính là năng lượng đẩy D = pV hay d = pv Năng lượng đẩy cũng là thông số trạng thái và cần chú ý rằng năng lượng đẩy chỉ có trong hệ hở, khi dòng khí chuyển động năng lượng đẩy thay đổi và tạo ra công lưu động để đẩy dòng khí chuyển động. 3.6. Entanpi - nhiệt hàm Đối với 1kg, entanpi được kí hiệu là i, đối với Gkg ký hiệu là I, và được định nghĩa bằng biểu thức: i = u + pv; (j/kg) I = G.i = G.(u + pv) = U = pV; (J). Entanpi cũng là một thông số trạng thái, nhưng không đo được trực tiếp mà được tính toán thông qua các thông số trạng thái cơ bản u, p và v. Vi phân cña nó: di = du + d(pv) là vi phân toàn phần. Đối với hệ hở, pv là năng lượng đẩy tạo ra công lưu động để đẩy dòng môi chất dịch chuyển, còn trong hệ kín tích số pv không mang ý nghĩa năng lượng đẩy. Tương tự như nội năng, entanpi của khí thực phụ thuộc vào nhiệt độ T và thể tích v, nói cách khác nó là một hàm trạng thái: i = f(T,v). Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng không, do đó entanpi chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T, nghĩa là i = f(T). Trong mọi quá trình, entanpi được xác định bằng: di = C pdT và ∆i = Cp(T2 - T1) Tương tự như nội năng, trong các quá trình nhiệt động ta chỉ cần tính toán độ biến thiên entanpi mà không cần biết giá trị tuyệt đối của entanpi, do đó có thể chọn điểm gốc tuỳ ý mà tại đó entanpi bằng không. Theo qui ước, đối với nươc ta chọn i = 0 tại điểm có nhiệt độ T = 0 0K hoặc ở điểm 3 thể của nước. 3.7. Entropi Entropi lµ mét th«ng sè tr¹ng th¸i, ®ưîc ký hiÖu b»ng s vµ cã vi ph©n toµn phÇn b»ng: ds = T dq , j/kg0K Entropi ®ưîc ký hiÖu b»ng s ®èi víi 1 kgvµ S ®èi víi G kg. Entropi kh«ng ®o ®ưîc trùc tiÕp mµ ph¶i tÝnh to¸n vµ thưêng chØ cÇn tÝnh to¸n ®é biÕn thiªn ∆s cña nã như ®«Ý víi néi n¨ng vµ entanpi. §èi víi Gkg th×: dS = G.ds = T dQ , j/0K, 58
nguon tai.lieu . vn
Kiến trúc - Xây dựng Tự động hoá Điện - Điện tử Kĩ thuật Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Năng lượng Hoá dầu Hoá học Sinh học