Giáo trình nhiệt động kỹ thuật

Ì

[ í tí t É T U'wLi ^

A N GIAO

LÊ NGUYÊN MINH

GIA O TRÌN H

NHIỆ T Đ Ộ N G K Ỹ THUẬ T

• • •

Dùng cho cá c trường Đại học khối Kỹ thuật Công trình

(Tái bản lần thứ nhất)

DẠỊHỌCĨHÃ1 NGUYỀN

TRWG TẨM HỌC LIÊU

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC

Công ty cổ phần sách Đại học - Dạy nghề - Nhà xuất bản Giáo dục giữ quyển công bó tác phẩm.

Mọi tổ chức, cá nhân muôn sử dụng tác phẩm dưới mọi hình thức phải được sự dóng ý của chủ sở hữu quyên tác gà.

04-2009/CXB/525-2117/GD Mãsố:7K781y9-DAI

MỤC LỤC

Trang

Lòi nói dấu 9

Chương 1 NHỮNG KHÁI NIỆM cơ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT 11

1.1. Nhũng khái niệm cơ bản 12

1.1.1. Hệ thống đơn vị quốc lé SI (System International) 12

1.1.2. Hệ nhiệt động, chất môi giới và nguồn nhiệt 12

1.1.3. Nguyên lý làm việc của máy nhiệt 15

1.2. Thông số trạng thái của chất mõi giới 17

1.2.1. Nhiệt độ 17

1.2.2. Dãn nở nhiệt 19

1.2.3. Thể tích riêng 21

1.2.4. Áp suất 22

1.3. Nhiệt 25

1.3.1. Nhiệt lượng 25

1.3.2. Nhiệt dung riêng và cách tinh nhiệt lượng 25

1.4. Công 28

1.4.1. Cõng thay đổi thể tích 28

1.4.2. Cõng kỹ thuật 29

1.5 Hàm trạng thái của khi lý tưởng 30

1.5.1. Nội năng 30

1.5.2. Năng lượng đẩy 30

1.5.3. Entanpi 31

1.5.4. Entropi 31

1.6. Định luật nhiệt động 1 32

1.6.1. Năng lượng toàn phần cùa hệ nhiệt động 32

1.6.2. Phương trình của định luật 1 cho hệ kín 32

1.6.3. Phương trinh định luật 1 cho hệ hở 33

1.6.4. ứng dụng định luật 1 34

1.6.5. Hiệu suất nhiệt 34

Chương 2 QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ VÀ HOI 35

2.1. Khi lý tuông 35

2.2. Nhiệt dung riêng, nội năng và entanpi 35

2.3. Phương trình trạng thái của khi lý tướng 35

2.4. Các quá Ưinh nhiệt dộng cơ bán của khi lý tuông 37

2.4.1. • Quá trinh đa biến 37

2.4.2. Các trưởng hợp riêng của quá trình đa biến. 40

2.4.3. Biểu diễn các quá trình nhiệt động cơ bản trẽn đồ thị p -V 41

2.5. Quá trinh nén khi và hơi 44

2.5.1. Khái niệm về máy nén khi 44

2.5.2. Phân loại máy nén 44

3

2 6 Máy nén Piston một cấp lý tướng 48

2 6 1 Các quá trinh trong máy nén Piston một cấp lý tưởng 48

2 6 2 Cống liêu lổn trong máy nén Piston một cấp lý tường 50

2 7 Máy nén Piston một cấp thục 50

2.7.1. Ảnh hường của thể tích thừa 50

2 7 2 Cõng cùa máy nén Piston một cáp thực 51

2.7.3, Nhiệt trong quá trinh nén 51

2.8 Máy nén Piston nhiêu cáp 52

2 8 1. Các quá trinh trong máy nén Piston hai cáp lý tưỏng 53

2.8.2. Tỳ số nén cùa các cấp 53

2 8.3 Cõng cùa máy nén nhiều cấp 54

2 8 4 Nhiệt toa ra trong các cấp nén và trong quá trinh làm mát trung gian 54

2.9. Quá trinh lưu động cùa khi và hoi 54

2.9.1. MỘI số khái niệm và công thức cơ bàn 54

2 9.2. Tốc độ âm thanh 55

2.9.3. Quan hệ giữa tốc độ và áp suất của dòng 55

2.9.4. Quan hệ giữa tốc độ và hình dạng ổng 56

2.9.5. Xác định tốc độ của dòng khi tại cửa ra của óng tăng lốc 57

2.9.6. Ống lăng lốc trong kỹ thuật thõng gió 58

2 10 Quá trinh tiết lưu 58

2.10.1. Đặc điểm cùa quá trình tiết lưu 58

2.10.2. Hiệu ứng Jun - Tomson (Joule - Thomson) 60

2.10.3. Quá trinh tiết lưu của chất lòng ả nhiệt độ bão hoa 61

Chương 3 CHU TRÌNH CỦA CHẤT KHÍ 63

3.1. Khái niệm co bản 63

3.1.1. Chu trình nhiệt động 63

3.1.2. Chiều của chu trinh 63

3.1.3. Công của chu trinh 64

3.1.4. Hiệu suất nhiệt 66

3.1.5. Chì số hiệu quả làm lạnh và chỉ sỏ hiệu quà bơm nhiệt 66

3.2. Chu trình Carnot 68

3.3. Định luật nhiệt dộng thứ hai 69

3.3.1. Hàm trạng thái Entropi 69

3.3.2. Biểu thức giải tích cùa định luật nhiệt động thử hai 70

3.3.3. Biến đổi Enlropi trong quá trinh thuận nghịch và không thuận nghịch 70

3.3.4. Biến đổi Entropi trong quá trinh đoạn nhiệt 71

3.3.5. Đồ thị T - s 72

3.3.6. Đổ thị i - s 72

3.4. Cho trình động cơ nhiệt 73

3.4.1. Sơ lược lịch sử phát triển động cơ đốt trong 73

3.4.2. Phân loại động cơ đốt trong 74

3.4.3. Chu trinh động cơ đốt trong cấp nhiệt đảng tích • 76

3.4.4. Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đảng áp 78

A

3.4.5. Chu trinh động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp - Seiliger 80

3 4 6 So sánh hiệu suất cùa các chu trinh động cơ đói trong

8 2

3.5. Chu trinh tuabin khi cấp nhiệt dắng áp 8 3

3.5.1. Sơ đố nguyên lý

8 3

3.5 2 ưu điểm so với động cơ dốt trong 84

3.5.3. Hiệu suất chu trinh tuabin khi cấp nhiệt đảng áp 85

3.6 Chu trinh tuabin khí Cấp nhiệt dắng áp CÓ hói nhiệt 86

3.7. Hệ thõng tuabin khi và máy lạnh hấp thụ 87

Chương 4 CHU TRÌNH THUẬN CHIỂU CỦA KHÍ THỰC 89

4.1. Sự thay đối trạng thái và chuyến pha của dơn chít 89

4.1.1. Đồ thị pha 89

4.1.2. Sự thăng hoa - ngùng két, nóng chày - đông đặc và hoa hơi - ngưng tụ 92

4.2 Quá trinh hoá hai dẳng áp cùa các chất lóng 92

4.2.1. Quá trinh hoa hơi đảng áp 92

4.2.2. Quá trinh hoa hơi đảng áp cùa nước 93

4.3 Phương trình trạng thái của khí thụt 95

4.4 Báng sỏ và đồ thị của hoi nước 96

4.4.1. Bảng hơi nước 96

4 4.2. Đồ thị hơi nưóc 98

4.5. Chu trinh thiết bị đọng lục hơi nước 100

4.5.1. Chu trinh Rankine 101

4.5.2. Những nhân tố ảnh hưâng tới hiệu suất nhiệt của chu trinh Rankine 102

Chương 5 CHU TRÌNH THIẾT BỊ LÀM LẠNH 106

5.1. Mõi chất lạnh (MO.) 106

5.1.1. Các đặc tinh cơ bàn cùa MCL 106

5.1.2. Phân loại 107

5.1.3. Một số MCL hữu cơ và hạn định sử dụng 108

5.1.4. MCLvôcơ 111

5.1.5. Hạn định sử dụng và thay thế các MCL quan trọng 111

5.2. Đô thị Igp - ì cùa MCL 113

5.2.1. MCL đơn chất và hỗn hợp MCL đóng sõi 113

5 2 2 Hỗn hợp MCL không đổng sôi 114

5.3. Bang MO- 115

5.3.1. Bàng MCL đơn chất và MCL đổng sôi 115

5.3.2. Bảng hỗn hợp MCL không đồng sôi 115

5 4. Chu trinh máy lạnh kiểu máy nén 116

5.4.1. Chu trinh máy lạnh kiểu máy nén hơi một cấp 116

5.4.2. Chỉ số hiệu quà năng lượng thực cùa máy lạnh 119

5.4.3. Chu trinh máy lạnh kiểu máy nén ly tâm 2 cấp 121

5.5. Chu trinh bom nhiệt 123

5.5.1. Sơ đổ nguyên lý bơm nhiệt 123

5.5.2. Sơ đồ kỹ thuật máy lạnh - bơm nhiệt 123

5.5.3. Các nhãn tô ảnh hưởng đến chi sò hiệu quà năng lượng cùa bơm nhiệt 124

5

I

s 6 Chu trinh máy lạnh hấp thụ

" .. , 126

5 6 1 Chát làm lạnh

5 6 2 Sơ đổ nguyên lý máy lạnh hấp thụ

12 7

56 3 Hệ số làm lạnh lý thuyết

1 2 8

- i 129

Chương 6 KHÔNG KHÍ AM

, J -ị 29

6 1 Khái niệm không khi am

. . . ĩ loa

6 1 1 Thành phần của không khi am

6 1 2 Thông số trạng thái cùa không khí ẩm

131

6 2. Phản loại không khi ấm 13 2

6 3 Các thòng số trạng thái của không khi ám 134

6.3.1. Độ ẩm tuyệt đối

13 4

6.3.2. Độ ẩm tương đối cp

13 5

6.3.3. Độ chứa hơi (dung ẩm) d 13 5

6.3.4. Khối lượng riêng của không khi ẩm

135

6.3.5. Entanpi (Nhiệt hàm)

13 6

6.4. Đó thị của không khí ấm 13 7

641. Đồthịl-dcủakhôngkhíẩm

13 7

6.4.2. Các thông số nhiệt - ẩm khác trên đổ thị I - d 139

6.4.3. Đổ thị t — d của không khi ầm 140

6.5. Quá trình hoa trộn không khi 141

6.6. Quá trình sấy nóng và làm lạnh không khi ẩm (d = const) 142

6.7. Quá trình làm lạnh tách ấm 142

6 8 Quá trinh làm lạnh tách ấm và sấy nóng không khi 143

6.9. Quá trình tăng ấm đoạn nhiệt 144

6.10 Quá trình tâng ấm đổng nhiệt 145

6.11. Quá trinh trao dối nhiệt ấm da biên 146

6.12. Quá trình hút ẩm 14 7

6.12.1. Quá trình hút ẩm hấp thụ và làm mát 147

6.12.2. Quá trinh hút ẩm hấp phụ và làm lạnh 148

Chương 7 TIẾT KIỆM NÀNG LƯỢNG TRONG CÔNG TRÌNH .150

7.1. Mục tiêu tiết kiệm năng lượng 150

7.2. Phương pháp đánh giá hiệu quá sứ dụng năng lượng 151

7.2.1. Hiệu suất nhiệt

15 2

7.2.2. Chi sô hiệu quà năng lượng của thiết bị lạnh ,

15 2

7.2.3. Hiệu suất execgi

15 3

7.3. Tiêu thụ nâng lượng trong công trinh 15 5

7.3.1. Phụ (ải lạnh của hệ thống diếu hoa không khí

15 5

7.3.2. Phụ tài nhiệt

15 6

7 4 Cung cấp Nhiệt - Lạnh cho hệ thống ĐHKK 15 6

7.4.1. Thiết bị cung cấp lạnh cho hệ thống ĐHKK

7.4.2. Thiết bị cung cấp Nhiệt

15 9

7.5. Phương pháp đánh giá tiêu thụ điện cùa hệ thống ĐHKK 16 3

7.5.1. Chỉ số hiệu quả nâng lượng cùa thiết bị lạnh

16 3

6

7.5.2. Chỉ số tiêu thụ điện non tải tích hợp năm của chiller

16 4

theo ARI 550/590 (USA)

7.5.3 Cõng thức xác định tiêu thụ điện của hệ thõng ĐHKK 165

7.5.4. Tiêu thụ điện cùa hệ thống ĐHKK sử dụng Chiller 166

7.5.5. Tiêu thụ điện của hệ thống ĐHKK sử dụng máy làm lạnh trực liếp 169

7.6. Giải pháp cung cấp năng lượng hợp lý 169

7.6.1. Cung cấp lạnh cho ĐHKK 169

7.6.2 Cung cáp Nhiệt - Lạnh đổng thời bằng máy lạnh thu hồi nhiệt 169

(Heat - Recovery - Chiller)

7.6.3. Cung cấp nhiệt 171

7.6.4 Cung cấp Nhiệt - Lạnh bằng chu trinh ghép Chiller - Bơm nhiệt 172

7.7 Dụ trữ lạnh bàng nhiệt ẩn chuyển pha 174

7.7 .1 Tiết kiệm chi phí vận hành hệ thống ĐHKK bằng giải pháp dự trữ lạnh 174

chuyển pha

7.7.2 Đặc tinh kỹ thuật của bình tích lạnh chuyển pha 176

7.7.3 Hiệu quà tiết kiệm chi phí vặn hành 176

PHỤ LỤC 178

A. Bảng đổi đan vị

Phụ lục 1 : Đổi đơn vị hệ SI - hệ Anh / Mỹ 178

Phụ lục 2 : Đổi đơn vị áp suất 181

Phụ lục 3 : Đổi nhiệt độ °F<->°C 182

B. Báng thông số vật lý

Phụ lục 4 : Thõng số vật lý của một số chất khí 184

(ờ điều kiện 0°c, p = 1,01325 bar)

Phụ lục 5 : Thông số nhiệt động của một số chất 185

p= 1,01325 bar

Phụ lục 6 : Thõng số nhiệt vặt lý cùa một số chất 185

p = 1,01325 bar

Phụ lục 7: Hệ số dãn nỏ dài của vật rắn 186

Phụ lục 8: Hệ số dãn nở thể tích p của chất lỏng

ờ áp suất 1 bar, nhiệt độ 20°c

Phụ lục 9: Nhiệt dung riêng trung bình phụ thuộc vào nhiệt độ

(trong khoảng 0°c 4- 1500°C)

c. Bang quy chuẩn xây dụng việt nam - QCXDVN 9/2005

Phụ lục 10 : Máy diều hoa không khi và dàn ngưng (cụm nóng) 189

hoạt động bằng điện nàng

Phụ lục 11 : Các đơn nguyên sản xuất nước lạnh - 190

các yêu cầu tối thiểu về hiệu suất

D. Bảng chi số hiệu quả máy làm lạnh nước (chiller) - Hoa Kỳ

Phụ lục 12 : Bảng quy chuẩn chỉ số hiệu quà máy làm lạnh nước (Chiller) 191

Phụ lục 13 : Bảng chỉ số hiệu quả máy làm lạnh nước (Chiller)

của các nhà sản xuất Hoa Kỳ

Phụ lục 14 : Một số loại máy nén điển hình 194

187

188

192

7

E. Báng số và đá thị hơi nước

Phụ lục 15 : Nước trên đường bão hoa (theo áp suất p) 195

Phụ lục 16: Nước trên đường bão hoa (theo nhiệt độ) 196

Phụ lục 17 : Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt (theo áp suất p ) 203

Đồ thị i - s cùa nước 209

G. Bàng số và đá thị Môi chất lạnh

Đồ thị áp suất cùa mội số MCL 210

Phụ lục 18 : Môi chấflạnh CFC12 (R12) 211

Phụ lục 19 : Môi chất lạnh HCFC 123 (R123) 214

Phụ lục 20 : Môi chất lạnh HCFC 22 (R22) 216

Phụ lục 21 : Mõi chát lạnh HFC134a (R134a) 219

Phụ lục 22 : Môi chất lạnh HFC 404A (R404A) 222

Phụ lục 23 : Môi chất lạnh HFC 407C (R407C) 225

Phụ lục 24 : Môi chất lạnh HFC 410A (R410A) 228

Phụ lục 25 : Môi chất lạnh R717 (NH3) 231

Phụ lục 26 : Môi chất lạnh R744 (CO,) 234

Đổ thị môi chất lạnh R12 236

Đố thị mõi chất lạnh R123 237

Đổ thị môi chất lạnh R22 238

Đồ thị mõi chất lạnh RI 34a 239

Đó thị môi chất lạnh R407C 240

Đồ thị mỏi chất lạnh R410A 241

Đố thị môi chất lạnh R404A 242

Đố thị mỗi chất lạnh R717 (NH3) 243

Đổ thị môi chất lạnh R744 (CO?) 244

Đổ thị mõi chất lạnh R718 (Hj0) 245

H. Báng số và dó thị không khí ấm

Phụ lục 27 : Bàng phân áp suất và độ ẩm luyêt đối của hơi

nước trong Không khi ẩm bão hoa

Đổ thị i - d Mollier của không khi ẩm 247

Đồ thị i - d của không khí ẩm (t = 0°c - 200°C) 248

Đổ thị i - d của không khi ẩm (t = Aitód) 249

Đồ thị t - d Carrier của không khí ẩm 250

TÀI LIỆU THAM KHẢO 251

8

L Ờ I NÓ I ĐÂ U

Nhiệt động kỹ thuật là môn khoa học nghiên cứu những quỵ luật khách quan

về năng lượng mà chủ yếu là quá trinh biến đối giữa nhiệt và cóng. Đè phù hợp với

nội dung đào tạo cùa các trường Đại học kỹ thuật khối công trinh, cuốn Nhiệt động

kỹ thuật được biên soạn lần này đã bố sung những nội dung khoa học về các

phương pháp sử dụng năng lượng có hiệu quá trong hệ thông thiết bị công trình.

Đứng trước những thách thức về sự cạn kiệt các nguồn nhiên liệu hoa thạch và

vân đề ó nhiễm mói trường, Nhiệt động kỹ thuật đã không ngừng nghiên cứu hoàn

thiện về nguyên lý và công nghệ đè nâng cao hiệu quà sử dụng nhiệt, giảm tiêu thụ

điện trong máy lạnh..., đó là những giải pháp tích cực trong mục tiêu tiết kiệm

năng [ương. Bằng phương pháp phán tích khoa học Nhiệt động kỹ thuật có thê chỉ

ra các giải pháp sử dụng năng lượng một cách hợp lý và có hiệu quả trong hệ thông

kỹ thuật công trình như: Cáp Nhiệt - Lạnh đồng thời bang máy lạnh thu hồi nhiệt

hoặc sứ dụng chu trình ghép trong hệ thông điểu hoa không khí, cấp nước nóng

bảng bơm nhiệt... Trong thời gian gần đây nhiệt động kỹ thuật đã chú ý nghiên cứu

khá năng sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (bức xạ mặt trời, nhiên liệu sinh

khối, địa nhiệt...) đế có thế tiết kiệm các nguồn nhiên liệu hoa thạch uà hạn chê

hiện tượng ô nhiễm nhiệt ở quy mô toàn cầu, góp phần báo vệ môi trường trong

chiến lược phát triẽn bển vững.

Theo xu hướng phát triển và hội nhập, cuốn sách đã trinh bày đẩy đủ những

nội dung khoa học cơ bản và cập nhật những thông tin kỹ thuật cẩn thiết cho các

ngành kỹ thuật công trinh, năng lượng và môi trường... và bố sung chương Tiết

kiệm năng lượng trong công trinh theo định hướng Quy chuẩn xây dựng Việt Nam

09/2005 - Công trình xây dựng sử dụng năng lượng có hiệu quả - đê nội

dung môn học không xa lạ với thực tiễn phát triển của ngành xây dựng và có thè

đáp ứng được những yêu cầu đối mới theo định hướng cải cách giáo dục đại học

trong giai đoạn hiện nay.

Cuốn Nhiệt động kỹ thuật biên soạn lần này được sử dụng làm giáo trình

giáng dạy và học tập cho sinh viên các ngành Hệ thống thiết bị công trình Năng

lượng và môi trường. VỘI liệu xây dựng... của trường Dại học Xây dựng và có thế

9

là tài liệu tham khảo cho các trường đại học kỹ thuật khác như: Giao thông - Vận

tải, Mỏ địa chất, Hàng hải...

Trong lần tái bản này tác giả đã bổ sung và sửa chữa những thiếu sót cùa lẩn

xuất bán đầu tiên. Đế giáo trình được hoàn thiện hơn, tác giả rất mong nhận được

những ý kiến đóng góp của bạn đọc và cảm ơn bộ môn Năng lượng và Môi trường -

Trường Đại học Xây dựng đã giúp đỡ hoàn thiện cuốn sách trong lần tái bản này.

Những ý kiến góp ý xin gửi về địa chỉ email: nhattrungfo fpt.vn và mobilefone:

090.401.7722.

Hoặc Công ty cổ phần Sách Đại học - Dạy nghề, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội.

TÁC GIẢ

10

Chươn g ì

NHỮN G KHÁ I NIỆ M c ơ BẢ N CỦ A

NHIỆ T Đ Ộ N G K Ỹ THUẬ T

Lịch sử và nội dung môn học

Nội dung chính của Nhiệt động kỹ thuật là nghiên cứu điêu kiện và mức độ của các quả trinh

biến dổi năng lượng trong đó chủ yếu là sự biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng theo hướng có lợi

nhất. Vi dụ như vấn đề nâng cao hiệu suất của các động cơ nhiệt, giảm tiêu hao điện năng trong

các máy lạnh.

Những nội dung cơ bản của Nhiệt động kỹ thuật được hình thành và phát triển từ thế kỷ 17,

cùng với sự phát triển của máy hơi nước RanKine1

đã xây dựng đó thị p - V của hơi nước năm 1872,

năm 1876 Nikolaus Otto2

phát minh ra động cơ đốt trong 4 kỳ, với các kết quả đạt được, Nhiệt động

kỹ thuật đã trở thành môn khoa học độc lập góp phấn vào sự phát triển của ngành năng lượng đem

lại sự thành công của cuộc cách mạng công nghiệp thế kỷ 19.

Nhưng trước đó gần hai thế kỷ những định luật thực nghiêm đầu tiên của Nhiệt động kỹ thuật

đã được đề cập trong nghiên cứu của Boyle3

năm 1662, Mariotte4

năm 1679 và Gay Lussac5

. Tiếp

theo là những nghiên cứu của Carnot6

năm 1824 về chu trinh lý tưởng, Robert Mayer7

đã dưa ra

khái niệm Nhiệt là một dạng năng lượng và Clausius8

đã hình thành hai định luật nhiệt động góp

phấn xây dựng những nội dung cơ bản của môn Nhiệt động kỹ thuật.

Từ đầu thế kỷ 20 đến nay, Nhiệt động kỹ thuật đã phát triển không ngừng các nội dung nghiên

cứu về khi thực, hơi nước... để góp phần cho sự hoàn thiện các chu trinh thiết bị động lực, máy

nhiệt và thiết bị lạnh, phục vụ cho sự phát triển của các ngành năng lượng, giao thông vận tải, điều

hoa không khi (ĐHKK),.

Nhiệt động kỹ thuật trong hơn 300 năm phát triển đã có những đóng góp quan trọng cho việc

nghiên cứu và sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên, dem lại sức mạnh to lớn cho cuộc cách

mạng khoa học kỹ thuậtthế kỳ 19. Nhưng đến nay, do việc sử dụng quá mức các nguồn nhiên liệu

hoa thạch đã dẫn đến hiện tượng ô nhiễm nhiệt ỏ quy mô toàn cầu và sự biến đổi khí hậu bất lợi

cho sự phát triển bén vững của nhiều vùng rộng lớn trên thế giới.

I.RanKine (1802 1872) Nhà vật lý Anh

2 Nikolaus Ottò (1832-1891) Kỹ sưĐức

3. Robert Boyle (1627 1691) - Nhà vật ly Anh

4. Edone Mariotte (1620 1684) Nhà vật lý Pháp

S.GayLussac (1778 1850) - Nhà vật lý Pháp

6. Sadi Camot (1796 1832) - Nhà vật lý Pháp

7. Roberl Mayer (1814 1878) Nhả vật ly ở Hailbronn

8. Rudolt Clausius (1822 1888) Nhà vài ly Đức

11

1.1. NHỮNG KHÁI NIỆM c o BÀN

1.1.1. Hệ thống đơn vị quốc t ế SI (System Intemational)

Hệ thống đơn vị quốc tế SI bao gốm 6 đại lượng cơ bản sau:

Bảng 1.1. Các đơn vị cơ bàn trong hệ thống đơn vị quốc tế SI

Đại lượng cd bàn

Đơn vị cơ bản

Đại lượng cd bàn 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 dối K

Cưởng độ ánh sáng Candela Candela cd

Bảng 1.2. Hệ số thập phân dứng trước dơn vị hệ SI

Tên gọi giga mega kilo hecto deca deci centi milli micro na no

Ký hiệu G M k h da d c m n

Hệ sô 109 106 103 102 10' 10-' 10

2 10

3 1.0"* 10-*

Trên cơ sỏ những đại lượng vật lý cơ bàn, có thể thiết lập được đơn vị của các đại lượng vặt lý

dẫn xuất: lực, năng lượng, công suất...

Bàng 1.3. 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'1

' J (Joule) E = F./ J= N.m = kg.m2

/s2

Công suất w (Wattl2)) P = E/T w = J/s = kg.m2

/s3

Ghì chú: G - (kg) khối lượng ; a - (m/s2

) gia tốc ; T - (s) thòi gian ; /(m) - quãng đường.

(1) kWh = kJ/s.3600s = 3600 kJ.

(2) James Watt (1736 - 1819) - Kỹ sư người Anh, năm 1765 đã phát minh máy hơi nước.

1.1.2. Hệ nhiệt động, chất môi giói và nguồn nhiệt

1. Hệ nhiệt động

Đối tượng nghiên cứu của Nhiệt động kỹ thuật là các hệ nhiệt động, trong đó chất môi giãi

(CMG) có thể thực hiện quá trinh biến đổi trạng thái và trao đổi năng lượng với mõi trường.

12

Hệ nhiệt động có thể là hệ kín, hệ hở, hệ đoạn nhiệt hay hệ cô lặp.

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.

Hệ hở là hệ có thể có sự chuyển dộng vĩ mô và khối lượng của hệ thay đổi khi chất mỏi giới di

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 mõi trường, Q = 0.

Hệ cô lập là hệ không trao đổi nhiệt và công với môi trường, Q = 0; L = 0.

2. Chất môi giới (CMG)

Quá trình biến đổi giữa nhiệt và công trong hệ nhiệt động thường phảitiến 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 khi (hơi), thể lỏng hoặc thể rắn. Trong các máy nhiệt, chất môi giới chủ yêu tồn

tại ở thể khi (hơi) hoặc lỏng vi quá trình biến đổi giữa nhiệt và công gắn liền với sự thay dổi 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 khi thực, được tạo nên từ các phân tử có kích

thước và trọng lượng bản thân nhất định, đổng 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 điếm chuyển động. Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khí quyển, có thể xem không khi. ôxy,

nitơ... là khí lý tưởng. Kết quà tinh toán đối với khi thực tồn tại ở trạng thái loãng gần đúng với giả

thiết của khi lý tưỏng.

Khi máy nhiệt sử dụng chất môi giới là khí thực do sự thay đổi nhiệt độ và áp suất khá lớn

đống thời có sự biến đổi pha của chất môi giới trong chu trình nên người ta thường sử dụng bảng số

và đồ thị trạng thái để có thể tinh toán chính xác các quá trình nhiệt động khi thực.

3. Nguồn nhiệt

Trong chu trình nhiệt động, sự thay đối trạng thái của CMG gắn liến với các quá trinh trao đổi

năng lượng với các nguồn nhiệt: Nguồn cấp nhiệt và Nguồn nhặn nhiệt. Nguồn cấp nhiệt cho CMG

có thể là nhiệt lượng thu được từ các quá trinh đốt cháy nhiên liệu, từ môi trường hoặc từ vật cần

làm lạnh. Nguồn nhận nhiệt từ CMG thường là môi trường không khí và nước trong tự nhiên hoặc

vật cấn sưởi ấm.

Đối với động cơ nhiệt, nguồn nhận nhiệt là mõi trường nước/không khitiếp nhận nhiệt thừa và

các khi thải của quá trình cháy nhiên liệu, nguồn cấp nhiệt được lấy từ quá trinh đốt cháy nhiên liệu.

Ví dụ: Trong Chủ trinh thiết bị làm lạnh, CMG cấn có nguón nhận nhiệt là môi trường nước/

không khí để làm mát CMG trong quá trình ngưng tụ và nguồn cấp nhiệt là vặt cần làm lạnh ỏ nhiệt

độ thấp.

Khi sử dụng bơm nhiệt, môi trưởng nước/khõng khi lại là nguồn cung cấp nhiệt cho vệt cần

sưỏi ấm (nguồn nhận nhiệt).

Môi trưởng không khi

Trong điều kiện khi quyển, không khí khô có các thành phấn theo DIN ISO 2533 như sau￾13