Bài tập nhiệt động học kỹ thuật và truyền nhiệt

BAI TAP

N

'

~ N 1 » ~

HUH

NHA XUAT BAN

OAI HOC QUOC GIA TP. HO CHI MINH

BAI HOC QUOC GIA TP HO CHI MINH

TRUING BAI HOC BACH KHOA

Hoang Binh Tin - Bui Hii

BR I Tf)P

NHIET SONS HOG RY THUNT

VR TRUVEN NHIET

(Tai ban lan thu' tu)

E BOO K B K M T. C O M

HO TRO TAI LIEU HOC TAP

NHA XUAT BAN BAI HOC QUOC GIA

TP HO CHI MINH - 2012

PRAT I. NHIET DONG I.ISC HOC NY y'fl UA'I'

Chuung 1. CAC THONG SP TRAM(' THAI

].]. Ap suat

].2 Nhiet do

].3 The tich rieng v, i»'/kg

].4 Noi nang u, J/kg

].5 Entanpi i, J/kg

1.6 Entropi s, J/kg"K

1.7 Exergi e, J/kg

Bai tap

E BOO K B K M T . C O M

9

10

10

]0

11

'1

].1

12

TAP

Chu'ong9. PHI ONG TRINH TRAYG THAI, HON HOP KHI,

NHIET DUNG RIENG

2.1 Phu'ong trinh trang thai khi ly to ting

2.2 Hon hop khi ly thong

2.3 Nhiet dung rieng (NDR)

Ikai tap

TRINH NHIET BONG CUA CHAT KHI

3.1 Binh luat nhiet dong thu' iih it

3.2 Cac qua trinh nhiet dong co ban

3.3 Qua trinh hon hop cac khi

3.4 Qua trinh nen khi

Bai tap

Chu'o'ng 3. BINH LUAT NHIET BPNG THU ÃHAT VA CAC QUA

16

17

18

19

26

26

cii» khi ly t t fang 27

Chuong 4. CHU TRINH CHAT I&il

4.1 Chu trinh nhiet do»g

4.2 Chu trinh doug co dnt trna>g

4.3 Chu trinh tua bin khi

4.4 <hu trinh dong co phan luc

Ch,uong 5. I% i NI.fOC VA CHU TRINH THIFT

49

51

5]

53

BI BONG LUC HOI NOOC 69

Chu'ong 6. LOU BONG VA TIET LOU

~).1 Hoi nuoc

5.2 Chc qua trinh nhiet dong co ban

Bai tap

ei'ia hei noae

69

70

71

101

101

104

104

6.1 Lu'u dong

6.2 Qua trinh tiet lu'u

Bai tap

PHAN II. TRI.JYEN NHIET

Chcumg 9. DAN NHIET

Chuong 11. TRAO BOI NHIET BUC XA

Chcong 7. KHONG KHI AM

7.1. Khong khi am

7.2 Quh trinh say

7.3 Qua trinh dieu tiet.khong khi

Bai tap

Chuong 8. CHU TRINH THIET BI LANH

9.1 Dan nhiet on dinh

9.2 Dan nhiet khong on dinh

Bai tap

Chrlang 10. TOA NHIET BOI LOU

I0.1 Toa nhijt doi 10u tu nhien

10.2 Toa nhiet doi l00 cong bCfc (dbng mot pha)

10.3 Toa nhiet khi bien doi pha

Bai tap

8.1 Chu trinh may lanh ding khong khi

8.2 Chu trinh thiet bi lanh dung hai c6 may nen

Bhi tap

113

113

117

121

125

145

145

147

151

181

183

183

189

192

214

215

216

220

221

251

251

252

253

255

11 1 Cac dinh luat ca bin ve bCfc xa nhiet

11.2 Trao doi nhiqt bCfc xa giCfa chic vat

11.3 BC' xa chat khi

Bhi tap

Chuong I2. TRI.JYEN NHIET VA TINH TOAN THIET BI TRAO

BOI NHIET

12.1 Truyen nhijt qua vkch p hag

12.2 Truyen nhit";t qua vkch tru

12.3 Vhch c6 chnh

12.4 Thie't bi trao doi nhit";t

12.5 Phuang phd hindu suit - hj so chuyen nhiet (phuang

Bhi tap

Phon III. PM) LQC

Tai Lieu tham A;hao

265

265

265

266

266

271

273

297

phkp s — NTU)

Ldi noi dciu

Nhigt d6ng lu'c hoc ky thuat cung uai cac mon hoc truyen nhiet, ca hoc

lu'u cha't... da dat nen tang co so ly' luan quan trong giup cho sinh vien hieu

bi"".'t co h> .'h~'n~ '~B thie'.' bi nhiet, dong c0 do' trong, dong co tua bin khi,

may lanh, nha may nhiet dien, thong gio ua dieu tie't khong khi.... Thie't bi

nhiPt ngay nay phat trie'n ra't nhanh va da dang, xam nba vao nhieu

nganh ky thuat va co anh hu'ong quan trong de'n cha'tluringsan pham. Cac

t'hie't bi ludn luon du'0c cai tien tren c0 s8 phat trie'n cong nghe moi, ky

thudt mai va vat lieu mai, tuy nhien no van tuan theo nhi2ng nguyen ly' ce

ban vc nhiet dong lu'c hoc ky thuat ua tr uyen nhiet. St> hie'u bie't ue cac

mon hoc nay se giup cho sinh uieri, ky su' ua ky thuat v ien cd co ski vung

vang trong viec su' dung thiet bi, lu'a chori cac phu'kg an ky t h u at ve nhiet

rnot each hpp ly trong cac day chuyen cong nghe.

Cu6n BAI TAP NHIET BONG LUC KY THUAT VA TRUYEN NHI ET

la mot phan quan trong giup sinh vien trong qua trinh hoc tap cac mon hoc

nhiet dong lu'c hoc ky thuat va truyen nhiet du'oc thudn lqi hon.

Chung toi da he't sec cubi' gang ke' thu'a nh8ng kinh nghiem to't a trong

nude cung nha a nu de ngoai ua su'u tarr< cac bai toan sat uoi nh i ' ng va'n de

ky thuat cong nghiep thu'0ng gap nhlrn phuc vu doc gia. Tuy vay, trong

dieu kien hien nay chung toi chu'a thd dap u'ng day du you cd'u cac ban doc.

A'6t mong nhan du'oc su' gop y' cua ban doc.

Xin chdn thanh can~ urn.

Bia chi Lien he: Trung tarn Nghien cu'u Thic't bi Nhiet va Nang lu'crng

moi Tru'eng Bai hoc Bach khoa - Bai hoc Quo'c gia TI'. Ho Chi Minh 268

Ly' Thawing Kiet, Q.10 - BT: (08) 8652315

Cic tic gib

P GS-TS. Hoang Dinh Ti n

PGS-TS. Bui Hai

NHIET BONG LUC HOC

KY THUAT

Chu.'dhg

CAC THONG SO TRANG THAI

Thong so' trang thai la nhOng dpi lvqng vat ly co gia tri xac dinh 0

mot tzang thai nao do. Thong so' trang thai la ham chi phu thuoc vao trang

thai n>a khong phu thuoc vao qua trlnh.

entanpi i, entropi s, exergi e. Trong do p, v, T goi la cac thong so' trang

thai co ban. 0 day can 1W y nhiet ltfqng q, cong 1 la cac ham phu thuoc vao

qua trinh nen khong phai la cac thong so trang thai.

1.1 AP SUAT

Cac thong so' trang thai gom: ap sua't p, nhiet dj T, the tich rieng v,

2

Cac don vi throng ditng de do ap suat

N/m = Pa (Pascal)

1MPa = 10 kP a = 10 Pa = 1 0 N/m

1 bar = 10 N /n > = 75 0 m m H g

1 at = 0,981 bar = 0,981 . 10 P a = 735,5 mmHg

3 6 6 2

5 2

10m H20 = 14,696 psi

2

1 rnm Hg = 183,3g 'N/m (1mm Hg cbn goi la tor)

1 psi =1 lbf /in = 6894,76 N/m

Ap suat tuyet doi trong blnh chCfa duqc tinh nhu sau:

- Ap suat binh chCfa ldn han 6p sub't khi troi:

- Ap sujet binh chQa nho han 6p suat khi trodi:

Ptd = Pd +Pkt

P td P k t Pck

o day: ptd - ap suat tuyet do'i;

pk, - 6p suat khi troi (do b5ng baromet)

pd - ap suat du (do bhng manomet)

p„k - hp suat chan khong (do bkng vacumet).

10 CHLfONG t

1.2 NHIET 80

Nhiet do bieu thi mCfc do n6ng lanh cua vat. Khi do nhiet do nguii t.a

thu'ong dung cac thang do nhiet do sau day: nhiet do bach phan (nhiet do

Celsius) t'C, nhiet do tuyet do'i (nhiet do Kenvin) T'K , nhiet do Farenheit

t'F. Quan he giu'a chung nhu sau:

9

T'K = t' C + 2 7 3,15

t 'C = — ( t,'F — 32)

t,'F = 1 , 8 t,'C + 32

b,t('C) = bt('K ) at'F = 1,8at'C

Can lou y la chi co T'K moi la thong so' trang thai

212 F Nhijt dj didym soi 100 C

cua nUdc

180 khohng 0 dieu kien ap suat ti0u chuan vat ly 100 khoang

chia do chia do

32 F

OF

-40 F

Biem dong bhng

cua nUdc

-17.8 C

-40 C

OC

32 F

0

Be de dang khi sCf dung phan phu luc co bang tinh doi giua C va F

1.A THE TICH RIENG v, m /kg

The' tich rieng la the tich cua mot don vi khoi luqng v, m /kg

v = —,m/kg; p = — = —, kg/m (khoi luqng rieng) V 1 G

G v V

1.4 NP,'i NANG u, J/kg

Noi ning (noi nhiet ni ng) la ning laong cua cac phan tu chuyeri dong

trong vat. Noi ning cua khi ly te&ng chi phu thuoc vho nhiet do va duoc

xac dinh: h l = u 2 u y = cy (t2 t])

i day: c., nhiet dung rieng kho'i leong ding tich.

Voi khi thi«noi nang 1h hhm phu thuoc vao ca ba thong so co ban p, v, T.

CAC THONG SO TRANG THAI

1.5 ENTANPI i, J/kg

Entanpi ddsc dIrih nghla bang bIeu thuc'. i = = u + pv.

Entanpi cua khi ly t uorrg chi phu t.huoc vao n.hiet do va xac dinh th eo

quan he: r ] = c )) (tj - t y).

o day: c» - nhiet dung rieng khoi luong dang ap.

Voi khi thee entanpi la harrr phu thvoc v~io ca bar thong so ca ban p, v, T.

1.6 EI4TROPI S, J/kg'K

Entropi la harn trang thai, vi phan cua no la vi p han t oan phan duoc

xac dinh bang bieu thuc: ds = d q / T

1.7 EXERGI e, J/kg

Chung ta bie't rang ta't. ca car dang nang luo'ng <ngoai nhiet ning) nhu:

ca ning, dien ning, hoa nang.... deu co the bien doi hoan toan thanh cong

trong chic qua trinh thuan nghich. Nguoc lai du la trong qua trinh thuan

nghich "hung ta chi co the bien doi rnot pharoscua ning luang nhiet thanh

cong. Chung ta goi exergi la ning luong co t.he bien doi hoan toan thanh

cong trong qua trinh thuan nghich. Bo'i vdi nhiet uang q ta co the viet:

q = e + a

trong d6: e - exergi; a - anergi (lh ph'in nhiet rehang khong the bien doi thanh

cong).

Fxergi cua dong chat chuye'n dong:

e = i — i, — T,(s-s„)

Nguoi ta da chung minh duac cac cong thuc san:

0 day: i s - entanpi va entropi cua nroi chat 0 trang thai ban dau

ip sp ca c th ong so' cua rnoi cha't <i trang thai cuo'i can b5ng vc'fi moi

truong co p„T„ k hong dpi.

Exergi cua nhiet lrtnng g o nhiet do T:

e„ (1.2) =-- q 1 — — '

8 day: To - nhiet do khong doi cua rnoi truang.

Gia tri exergi co the mang da'u duang hoac am. Do ion exergi la gia tri

tuyet doi cua no.

12 cHL/ONG 1

BAI TAP

1.1. C hi so M anornet cua lo h ei l a 0, 3 a t, c hi s o B a r omet o O 'C la

785 mmHg. Xac dinh ap suat tuyet do'i cua hei trong lo hoi.

Giai Ap suat tuyet doi cua hoi trong lo hai:

p td= p d + pkt = 0 3 +

ptd = 1,367 x 0,981 = 1,34 bar

785

735,5

= 1,367 at

1.2. Xac dinh ap suat tuyet doi cua khi trong binh co l eapap ke. Neu manomet

chi 500 mmHg, Baromet chi ap suat khi quyen 750 mm Hg 6 O'C, (o

day ta coi cot ap cua Manomet 0 O'C, nghia la khong can hieu chinh do

gian nG cua cot ap nay).

Dap so: 1,69 at hay 1,666 bar

1.3. Xac dinh ap suat tuyet doi cua khi trong binh chCfa co nhiet dj 170 C

neu Manomet chi 500 mmHg, ap suat khi troi do bhng baromet chi

760 mmHg 0 nhiet do 30'C trong hai truang hqp:

a) Coi chieu cao cua cot thuy ngan trong ap ke khong doi theo nhiet do.

b) Coi chieu cao cot thuy ngan h phu thuoc vao nhiet do theo quan he:

ho = h(1 0 0 0 0 172 t)

0 day: ho - la chieu cao cot thuy ngan o 0 C

1260

760

b) Chieu cao cot thuy ngan trong manomet qui ve O'C :

hp = h( 1 — 0,000 1 72 t) = 500( 1 — 0,000 172 x 100) = 49 1,4 mmHg

0 day nhiet do trong cot thuy ngan lay bhng nhiet do trung binh giCfa

Giai. a) p = pd + pkt = 500 + 760 = 1 260 m H g ; p = = 1,68 bar

nhiet do ngoai trodi 30'C vh nhiet do trong binh 170'C:

1

2

t = — (170+ 30) = 100'C

Chieu cao cot thuy ngan trong Baromet qui ve O'C:

hp = h( 1 — 0,000 1 72t) = 7 60( 1 — 0,000 1 72 30) = 756 mmHg

Vay ap suat tuyet doi cua khi trong binh:

p = 4 9 1,4 + 756 = 1247,4 mmHg o O'C

1247,4

750

CAC THONG SO TRANG THAI 13

1,68-1,663

1,663

S'<i so cua tracing hqp a so vii truer>g hqp b la: ' '

= 1'7c

Tif day chung ta tha'y khi nhiet do trong binh va ngoai trodi khong cao

thi ta co the bo qua viec hieu chinh chiAu cao cot thuy ngan trong cac ap ke

cha't long thuy ngan.

1.4. Xac dinh ap sua't khi troi i 0 C ne'u baromet chi 755 mmHg a dies-kien

nhiet do la 30'C

Dap so': 1 bar hay 750 mmHg

1.5. Mot binh co granvacumet

thuy ngan duqc dat trong

ph6ng co granmanomet

H 20. Xk c d i n h a p s u at

t uyjt d o i c u a k h i tro n g

binh n e u bi e t chi so

vacumet lh 180 mmHg, chi

so rnanomet la 50 mmH20

vh hp suat khi trai do bhng

b'cromet 0 30'C la 750 mmHg.

180mm Hg

150mm Hg

750mm Hg

Giai. - Ap suat tuyet doi trong phong: pf -— p< + pk,

Vi 8 day khong cho bie't nhiet do trong binh va nhiet do phong nen ta

co the bo qua hieu chinh cot cha't long trong vacumet va manomet. Ta se

chi hiju chinh doi vdi baromet.

50

10.000 pd = 50 mm FI20 = = 0,005 at

hkt = h(1 — 0,000172 t)

750(1 — 0,000172 x 30) = 746 mmHg 8 0 C

746

735,5 P kt = = 1,014 at

pr = Pd + pkt, = 0,005 + 1,014 = 1,019 at

- AP suat tuyet doi trong binh: Pb = Pf P k

p<k = 180 mmHg = = 0,245 at; p> - 1 ,019 — 0,245= 0,774 at 180

735,5

14 cHL/ONG i

1.6. Tren du'ctng khoi ra khoi lo hei do dht quat hut nen ap s«a't tuyet do'i cua

khoi se nho hon hp suat khi

:r si. Be do ap suat cua khoi

n,;u'oi ta dung ip ke' cha't long

H 0 2 dat n h i e n 30' . Bie't

. g

chieu dai cot nude trong 6p ke'

la 160 mm, ip sua't khi quyen

740 rnmHg o O'C. Xhc dinh

ap suat tuyet doi cua kh6i.

Khoi

Dap so': 734,1 mrnHg

1.7. Tren dUong kh6i ra cua 16 hoi co dat quat hut. Be do ap sua't cua kh6i ta

dung ap ke' nghieng 30'C, chA't long 1h dau hoa c6 khoi luqng rieng

0,8 kg/lit. Chieu dhi cjt chat long trong ip ke' chi I, = 200mm, biet 6p

sua't khi quyen 745 mm Hg. Xic dinh ap suat tuyet do'i cua khoi.

Giai. Ap suat tuyet doi cua kh6i: p = pkt — p ,k

a day: p,> = g. p.h

Chieu cao cot dau trong h dupe tinh:

h = cs in u = 2 00 x s i n 3 0' = 1 00 mm = 100.10 m

-3 3 785

10" p,k = 0,981x0,8 . 10 x 1 0 0 . 10 = 785 N/m = — x 750 = 5,89 mmHg

p = pkt — p,k = 745 — 5,89 = 739 mmHg

1 8. Bo chan khong trong binh ngung hoi cua tua bin c6 chi so

9,52 mH20, chi so cua barornet thuy ngan la 740 mmHg. Xac dinh ap

suat tuyet doi cua hoi trong binh ngung.

Bap s6: 0,054 at hay 0,0529 bar

1.9. 1 kg khong khi chuyen dong trong ong c6 nhiet do ban dau bhng nhiet do

moi truing 27'C, sau khi nhan nhiet, nhiet do khong khi tkng len de'n

127'C. Xac dinh lu'ong bien doi exergi cua 1 kg dong khi d6 khi biet

cp = 1kJ/kg do va bie'n doi entropi: hs = 0,29 kJ/kgdo.

G iai. Exergi 6 trang thai ban dau: e y = i y — i p — Tp(s> — s,)

Exergi o trang thai cuo'i: e2 = i 2 — i p T p (s2 — sp )

CAC THONG 30 TRAIVG THAI 15

Vay bien doi exergi:

e = «g — e~ = i ~ — i~ — To (sg — s~ i = c) )(tz — t>) To hs

= 1(127 — 27) — (27 + 273) x 0,29 = 1 3 k J /k g

1.10. lloi nuoc 6 trang thai d6u co i~ = 3050 kJ/kg, sy = 7,1 kJ/kg do, sau khi

gian na dhng ap de'n trang thai hai co ip = 2950 kJ/kg, sg = 6,92 kJ/kg do.

Xac dinh bie'n doi exergi cua 10 kg hoi nu'oc d6 khi biet nhiet do moi

truing t~ = 27'C

Bap so': 460 kJ

1.11. 1 kg hoi NHz di vao binh nyfng co i~ = 2100 kJ/kg, s~ = 7 kJ/kg do, sau

khi ning tu dkng ap trong binh ngmg, cha't long ngmg co

iq = 410 kJ/kg, sq = 0,7 kJ/kg do. Xac dinh bie'n doi exergi trong qua

trinh NHq ngmg tu do ne'u tp = 27 C.

Bap so: 200 kJ/kg

Chu,'dng

PHUONG TRINH TRANG THAI, HON

HOP KHI, NHIET DUNG RIENG

2.1 PHUGNG TRlNH TRANG THAI KHI LY TIJONG

Khi ly tuong la khi duoc xem nhu' khong c6 luc tuong tac giua cac phan

tu, khong co the tich ban thirF phan tu, nghIa lh cac phan tu cua khi ly

tuong chi lh cac chat diem chuyen dong. Trong thuc te chat khi o nhiet do

c ao va ap suat tl .,> co the coi la khi ly tuong (d vi tri each xa duong gioi

han tren), vi du k. n g k hi, khi Og, Ng... o dieu kien binh thuong, deu co

the coi la khi ly tuong de xu ly.

Phuong trinh trang thii voi 1 kg khi:

Phuong trinh trang thai vdi G kg khi:

Phuong trinh trang thai voi 1 kmol khi:

pv = RT

pV = GRT

pV„ = R„T

o day:

3

p - ap suat tuyet doi, N/m

v - the tich rieng, m /kg

T - nhijt do tuyet doi, 'K;

V - the tich, m

V„- the tich cua 1 kmol, m /kmol

R - hing so' chit khi, J / k g'K

R„- hkng so pho bie'n cua chat khi, J/kmol'K.

Hhng so chat khi duqc xic dinh bkng bieu thu'c:

• ~

R

P

R= " = J/k oK

o day: p lh phin tu luong cua khi. Kilomol khi lb. luqng khi tinh b ng kg c6

gia tri b5ng phan tu luqng cua khi do, vi du po = 32 kg....

PHUONG TRINH TRANG THAI, HON HQP 8'HI, IVHIE? OUNG RING

2.2 HON HgP KHl LY TUANG

Hon hqp khi la hon hqp ca hoc cual cac khi thanh phan khi khong xay

ra phan Cfng h6a hoc. Neu cac khi thanh phan la khi ly tuang ta co hon hqp

khi la khi ly tu8ng.

1- Tinh chat cua hon hpp khi ly trio'ng

Ap suat cua hon hqp tuan theo dinh luat Dalton:

a day: p - ap suat cua hon hqp khi

p; - ap suat rieng phan (phan ap sua't) cua cac khi thh.nh phan trong

hon hqp

Boi voi 1 kg hon hqp khi: pv = Rhh T

Bo'i vdi G kg hon hqp khi: pV„ = G R hh T

B oi vdi 1 kmol hon hqp khi: p V „ = R„T

i day: R„ = 8314 J/kmol'K - hAng so pho bien cua chat khi

8314

Jlhh - khoi luqng cua 1 kmol hon hqp

Rhh = , J/kg'K - hhng so chat khi cua hon hqp.

Be xac dinh Rhh va yah ckn bie't chic thanh phin cua hon hqp

2- Cac thanh phan cua hon h~

- Thhnh phan kho'i luqng g;: g;

- Thanh phan the tich r;:

- Thhnh phan kmol r;:

G

V; r￾V

trong do: G; - khoi luqng cua khi thhnh phan trong hon hqp, kg

G - khoi luqng cua khi hon hqp, kg

V - the tich cua hon hqp khi, m

V; - the tich cua rieng phon cua khi thanh phan, m

M; - so kmol cua khi thhnh phan; M - so' kmol cua hon hqp khi.

3- Xac dinh cac dpi lu'png cua hon hpp