Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - ĐH Lâm Nghiệp

Bài giảng kỹ thuật nhiệt đưa ra theo hai hướng nghiên cứu, thứ nhất là điều kiện và mức độ của các quá trình biến đổi năng lượng trong đó chủ yếu là sự biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng theo hướng có lợi nhất. Ví dụ như vấn đề nâng cao hiệu suất của các động cơ nhiệt, giảm tiêu hao điện năng trong các máy lạnh. Hướng thứ hai là các dạng và các quy luật trao đổi nhiệt nhằm để giải quyết hai vấn đề chính: xác định sự trao đổi nhiệt và sự phân bố nhiệt độ giữa các vật.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - ĐH Lâm Nghiệp ThS. Nguyễn Thị Yên - TS. Trịnh Hiền Mai Bài giảng KỸ THUẬT NHIỆT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2015 1 2 LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật nhiệt được hình thành và phát triển từ thế kỷ thứ 17 cùng với sự phát triển của máy hơi nước Rankine đã xây dựng đồ thị p-v của hơi nước năm 1872, Nhưng trước đó gần hai thế kỷ những định luật thực nghiệm đầu tiên của Nhiệt động kỹ thuật đã được đề cập trong nghiên cứu của Boyle năm 1662, Mariotte năm 1679 và Gay Lussac. Tiếp theo là những nghiên cứu của Carnot năm 1824 về chu trình lý tưởng, Robert Mayer đã đưa ra khái niệm Nhiệt là một dạng năng lượng và Clausius đã hình thành hai định luật nhiệt động góp phần xây dựng những nội dung cơ bản của môn Nhiệt động kỹ thuật. Bài giảng Kỹ thuật nhiệt đã được Thầy Nguyễn Hữu Cung viết năm 1992. Trong những năm gần đây có nhiều đổi mới về khoa học kỹ thuật đặc biệt là đã phát triển không ngừng các nội dung nghiên cứu về khí thực, hơi nước, các máy nhiệt theo hướng tự động hóa... để góp phần cho sự hoàn thiện các chu trình thiết bị động lực, máy nhiệt và thiết bị lạnh, phục vụ cho sự phát triển của các ngành năng lượng, trao đổi nhiệt lò nhiệt, lò sấy tự động... Bài giảng kỹ thuật nhiệt đưa ra theo hai hướng nghiên cứu, thứ nhất là điều kiện và mức độ của các quá trình biến đổi năng lượng trong đó chủ yếu là sự biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng theo hướng có lợi nhất. Ví dụ như vấn đề nâng cao hiệu suất của các động cơ nhiệt, giảm tiêu hao điện năng trong các máy lạnh. Hướng thứ hai là các dạng và các quy luật trao đổi nhiệt nhằm để giải quyết hai vấn đề chính: xác định sự trao đổi nhiệt và sự phân bố nhiệt độ giữa các vật. Bài giảng này biên soạn do tập thể giáo viên Bộ môn Khoa học gỗ đã cập nhật nhiều kiến thức cần thiết và bổ sung các nội dung mới về kỹ thuật nhiệt cụ thể như sau: ThS. Nguyễn Thị Yên (Chủ biên) biên soạn các chương 1, 2, 3, 4, 6; TS. Trịnh Hiền Mai biên soạn các chương 5, 7. Trong quá trình biên soạn không tránh khỏi thiếu sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học. 3 4 Chương 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Những khái niệm cơ bản Nhiệm vụ quan trọng của Nhiệt động kỹ thuật là tìm cách nâng cao hiệu quả quá trình chuyển hoá giữa nhiệt năng và cơ năng trong máy nhiệt. 1.1.1. Hệ thống đơn vị quốc tế SI (System International) Hệ thống đơn vị quốc tế SI bao gồm 6 đại lượng cơ bản sau: Bảng 1.1. Các đơn vị cơ bản trong hệ thống đơn vị quốc tế SI Đơn vị cơ bản Đại lượng cơ bản Tên quốc tế Việt Nam Viết tắt Độ dài Meter Mét m Khối lượng Kilogram Kilôgam Kg Thời gian Second Giây s Cường độ dòng điện Ampere Ampe A Nhiệt độ nhiệt động Kelvin Nhiệt độ tuyệt đối K Cường độ ánh sáng Candela Candela Cd Trên cơ sở những đại lượng vật lý cơ bản, có thể thiết lập được đơn vị của các đại lượng vật lý dẫn xuất: lực, năng lượng, công suất… Bảng 1.2. Một số đơn vị vật lý dẫn xuất trong hệ thống đơn vị quốc tế SI Tên đại lượng Ký hiệu Phương trình vật lý Đơn vị Lực N (Newton) F = G.a N = kg.m/s2 Năng lượng J (Joule) E = F.l J= N.m = kg.m2/s2 Công suất W (Watt) P = E/ W = J/s = kg.m2/s3 1.1.2. Hệ nhiệt động, chất môi giới, khí lý tưởng, khí thực và nguồn nhiệt a. Hệ nhiệt động Đối tượng nghiên cứu của Nhiệt động kỹ thuật là các hệ nhiệt động, trong đó chất môi giới (CMG) có thể thực hiện quá trình biến đổi trạng thái và trao đổi năng lượng với môi trường. Hệ nhiệt động có thể là hệ kín, hệ hở, hệ đoạn nhiệt hay hệ cô lập. Trong hệ kín, khối lượng chất môi giới không thay đổi và không đi qua vỏ bọc ngăn cách hệ với môi trường. Ví dụ, môi chất lạnh trong máy lạnh kiểu máy nén. 5 Hệ hở là hệ có thể có sự chuyển động vĩ mô và khối lượng của hệ thay đổi khi chất môi giới đi qua vỏ bọc của hệ vào môi trường. Ví dụ, CMG là sản phẩm cháy trong động cơ đốt trong. Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi nhiệt với môi trường, Q = 0. Hệ cô lập là hệ không trao đổi nhiệt và công với môi trường, Q = 0; L = 0. b. Chất môi giới (CMG) Quá trình biến đổi giữa nhiệt và công trong hệ nhiệt động thường phải tiến hành thông qua các chất trung gian được gọi là chất môi giới (CMG). Chất môi giới trong hệ nhiệt động có thể tồn tại ở các pha cơ bản: thể khí (hơi), thể lỏng hoặc thể rắn. Trong các máy nhiệt, chất môi giới chủ yếu tồn tại ở thể khí (hơi) hoặc lỏng vì quá trình biến đổi giữa nhiệt và công gắn liền với sự thay đổi thể tích. Khi sử dụng, nhiệt biến đổi pha (hơi - lỏng) sẽ đem lại hiệu quả trao đổi nhiệt cao, tiết kiệm được công bơm chất môi giới ở pha lỏng và kích thước thiết bị nhỏ gọn hơn. Trong các máy nhiệt, chất môi giới thường là khí thực, được tạo nên từ các phân tử có kích thước và trọng lượng bản thân nhất định, đồng thời giữa chúng có lực tác động tương hỗ. Trong quá trình nghiên cứu, các nhà vật lý đã đưa ra khái niệm khí lý tưởng là chất khí có thể bỏ qua thể tích bản thân các phân tử và lực tương tác giữa chúng, vì vậy các phân tử được xem là các chất điểm chuyển động. Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khí quyển, có thể xem không khí, ôxy, nitơ... là khí lý tưởng. Kết quả tính toán đối với khí thực tồn tại ở trạng thái loãng gần đúng với giả thiết của khí lý tưởng. Khi máy ...