Giáo trình Nhiệt kỹ thuật: Nhiệt động học và Truyền nhiệt - PGS. Trần Hồng Hà

• Tác giả: Phạm Hữu Tân
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Hồng Hà
• Trường học: Đại học Hàng hải Việt Nam
• Chuyên ngành: Nhiệt kỹ thuật
• Đề tài: Giáo trình nhiệt kỹ thuật
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình nhiệt kỹ thuật

Giáo trình nhiệt kỹ thuật là tài liệu học thuật cung cấp kiến thức nền tảng về các quy luật biến đổi năng lượng liên quan đến nhiệt năng. Cuốn giáo trình được biên soạn dựa trên nội dung giảng dạy của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, đã được Bộ Giao thông vận tải và Bộ Giáo dục đào tạo phê duyệt. Nội dung bao gồm ba phần chính: nhiệt động kỹ thuật, truyền nhiệt và các ứng dụng thực tiễn. Phần nhiệt động kỹ thuật nghiên cứu các quy luật biến đổi năng lượng trong các quá trình nhiệt động, tìm ra phương pháp biến đổi có lợi nhất giữa nhiệt năng và cơ năng. Phần truyền nhiệt tập trung vào các cơ chế dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Giáo trình phục vụ đào tạo chuyên ngành khai thác máy tàu biển và nhiều ngành kỹ thuật khác. Tài liệu do PGS. Trần Hồng Hà hiệu đính, xuất bản năm 2015 bởi Nhà xuất bản Hàng hải. Đây là nguồn tham khảo quan trọng cho sinh viên các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật trên cả nước.

1.1. Vị trí vai trò của môn nhiệt kỹ thuật trong đào tạo

Nhiệt kỹ thuật là môn học cơ sở cho các chuyên ngành kỹ thuật thuộc tất cả các hệ đào tạo đại học và cao đẳng. Môn học cung cấp nền tảng lý thuyết về nhiệt động học và truyền nhiệt, giúp sinh viên hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các thiết bị nhiệt. Kiến thức từ môn học này được ứng dụng rộng rãi trong ngành cơ khí, hàng hải, năng lượng và chế tạo máy. Nhu cầu tài liệu học tập cho môn nhiệt kỹ thuật rất lớn, đặc biệt tại các trường đại học kỹ thuật trên toàn quốc.

1.2. Cấu trúc nội dung chính của giáo trình

Giáo trình nhiệt kỹ thuật được chia thành ba phần cơ bản. Phần nhiệt động kỹ thuật gồm bốn chương, nghiên cứu các khái niệm cơ bản, định luật nhiệt động, chu trình nhiệt động và ứng dụng. Phần dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt gồm ba chương, trình bày về dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt đối lưu và bức xạ. Phần cuối cùng giới thiệu về truyền nhiệt tổng hợp và thiết bị trao đổi nhiệt. Mỗi chương đều có hệ thống bài tập và ví dụ minh họa cụ thể.

II. Phân tích nội dung nhiệt động kỹ thuật cơ bản

Nhiệt động kỹ thuật là phần trọng tâm của giáo trình, bao gồm các chương nghiên cứu về hệ nhiệt động, các thông số trạng thái và phương trình trạng thái của chất khí. Nội dung chính tập trung vào định luật nhiệt động thứ nhất và các dạng biểu thức liên quan. Định luật nhiệt động phát biểu rằng năng lượng không tự sinh ra hay mất đi, chỉ chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác. Giáo trình trình bày chi tiết các quá trình nhiệt động của khí lý tưởng như đẳng áp, đẳng tích, đẳng nhiệt và đoạn nhiệt. Bên cạnh đó, các quá trình nhiệt động thực tế của hơi nước cũng được phân tích kỹ lưỡng. Chu trình Carnot thuận nghịch đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất tối đa của động cơ nhiệt. Các chu trình động cơ đốt trong như Otto, Diesel và chu trình động lực hơi nước được giới thiệu với nguyên lý hoạt động và tính toán cụ thể. Phần này cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc cho việc hiểu và tính toán các hệ thống nhiệt trong thực tế.

2.1. Định luật nhiệt động và các quá trình cơ bản

Định luật nhiệt động thứ nhất là nền tảng của nhiệt kỹ thuật, phát biểu về bảo toàn năng lượng trong các quá trình nhiệt động. Giáo trình trình bày các dạng biểu thức toán học của định luật này, áp dụng cho hệ kín và hệ hở. Các quá trình nhiệt động cơ bản bao gồm đẳng áp, đẳng tích, đẳng nhiệt và đoạn nhiệt. Mỗi quá trình có phương trình tính toán riêng, liên hệ giữa các thông số trạng thái như áp suất, thể tích, nhiệt độ. Việc nắm vững các quá trình này giúp tính toán năng lượng chuyển đổi trong hệ thống thực tế.

2.2. Chu trình nhiệt động và hiệu suất

Chu trình Carnot thuận nghịch đặt giới hạn trên cho hiệu suất của mọi động cơ nhiệt hoạt động giữa hai nguồn nhiệt. Giáo trình phân tích chu trình động cơ đốt trong gồm chu trình Otto cho động cơ xăng và chu trình Diesel cho động cơ diesel. Chu trình động lực hơi nước được trình bày với các sơ đồ áp suất-thể tích và entropy-nhiệt độ. Hiệu suất nhiệt là chỉ tiêu quan trọng đánh giá khả năng chuyển đổi năng lượng. Các phương pháp cải thiện hiệu suất được đề cập chi tiết trong giáo trình.

III. Phương pháp truyền nhiệt trong kỹ thuật hiện đại

Truyền nhiệt là phần thứ hai quan trọng của giáo trình, nghiên cứu ba cơ chế truyền nhiệt chính: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Dẫn nhiệt xảy ra khi nhiệt lượng truyền qua vật rắn nhờ sự chênh lệch nhiệt độ, tuân theo định luật Fourier. Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình truyền nhiệt giữa bề mặt rắn và dòng chất lỏng chuyển động. Đối lưu được chia thành đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức tùy thuộc vào nguyên nhân gây chuyển động. Trao đổi nhiệt bức xạ dựa trên sự hấp thụ và phát xạ năng lượng dạng sóng điện từ, không cần môi trường truyền. Giáo trình trình bày các định luật cơ bản như định luật Stefan-Boltzmann và Kirchhoff. Truyền nhiệt tổng hợp qua vách phẳng và vách trụ được phân tích với các công thức tính toán cụ thể. Thiết bị trao đổi nhiệt là ứng dụng thực tiễn quan trọng, bao gồm các loại ống lồng, đối lưu và tấm bản. Phương pháp tăng cường truyền nhiệt giúp cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống nhiệt.

3.1. Dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt đối lưu

Dẫn nhiệt là cơ chế truyền nhiệt qua vật rắn do gradient nhiệt độ, tuân theo định luật Fourier với hệ số dẫn nhiệt đặc trưng cho từng vật liệu. Giáo trình trình bày dẫn nhiệt ổn định không có nguồn nhiệt bên trong cho vách phẳng và vách trụ. Trao đổi nhiệt đối lưu xảyra giữa bề mặt rắn và dòng chất lỏng, được mô tả bởi công thức Newton. Hệ số tỏa nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất lỏng, tốc độ dòng chảy và hình dạng bề mặt. Đối lưu cưỡng bức thường cho hệ số tỏa nhiệt lớn hơn đối lưu tự nhiên.

3.2. Bức xạ nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt

Bức xạ nhiệt là quá trình truyền nhiệt bằng sóng điện từ, không cần môi trường vật chất trung gian. Định luật Stefan-Boltzmann xác định tổng năng lượng bức xạ tỷ lệ với lũy thừa tư của nhiệt độ tuyệt đối. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa các vật rắn trong môi trường trong suốt được tính bằng hệ số góc và độ đen bức xạ. Thiết bị trao đổi nhiệt là ứng dụng thực tiễn của lý thuyết truyền nhiệt, bao gồm loại ống lồng, loại đối lưu và loại tấm bản. Phương pháp tăng cường truyền nhiệt giúp tối ưu hiệu suất thiết bị.

IV. Ứng dụng thực tiễn của giáo trình nhiệt kỹ thuật

Giáo trình nhiệt kỹ thuật có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp. Trong ngành hàng hải, kiến thức nhiệt kỹ thuật phục vụ vận hành hệ thống động lực tàu biển, bao gồm máy nén khí, nồi hơi và tuabin hơi. Máy nén khí piston được sử dụng để nén khí đến áp suất cao, hoạt động theo nguyên lý thể tích với chu kỳ hút-nén-đẩy. Nồi hơi là thiết bị trao đổi nhiệt lớn nhất trên tàu, sản xuất hơi nước cho hệ thống động lực và sinh hoạt. Trong ngành năng lượng, giáo trình cung cấp cơ sở tính toán cho nhà máy nhiệt điện, hệ thống điều hòa không khí và refrigeration. Ngành chế tạo máy áp dụng kiến thức nhiệt động để thiết kế động cơ đốt trong, tuabin khí và các thiết bị nhiệt khác. Kiểu kỹ thuật nhiệt cũng quan trọng trong xử lý môi trường, sấy khô nông sản và công nghệ thực phẩm. Nhu cầu nhân lực hiểu biết về nhiệt kỹ thuật ngày càng tăng trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước.

4.1. Ứng dụng trong ngành hàng hải và vận tải

Trong ngành hàng hải, nhiệt kỹ thuật đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống động lực tàu biển. Máy nén khí piston được sử dụng rộng rãi để cung cấp khí nén cho khởi động động cơ chính và các thiết bị phụ trợ. Nồi hơi tàu biển sản xuất hơi nước áp suất cao phục vụ tuabin chính, tuabin phát điện và các nhu cầu sinh hoạt. Kiểu về chu trình nhiệt động giúp đánh giá hiệu suất và tối ưu hóa vận hành hệ thống. Đào tạo kỹ sư khai thác máy tàu biển không thể thiếu kiến thức nền tảng này.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp và năng lượng

Kiến thức nhiệt kỹ thuật được ứng dụng rộng rãi trong ngành năng lượng và công nghiệp chế tạo. Nhà máy nhiệt điện sử dụng chu trình Rankine với hơi nước để phát điện, đòi hỏi hiểu biết sâu về nhiệt động và truyền nhiệt. Hệ thống điều hòa không khí và refrigeration dựa trên chu trình nén hơi ngược chiều. Công nghệ chế tạo máy áp dụng nguyên lý nhiệt động để thiết kế động cơ đốt trong hiệu quả cao. Ngành công nghiệp thực phẩm sử dụng các quá trình truyền nhiệt trong sấy, tiệt trùng và bảo quản sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phạm Hữu Tân Hiệu đính: PGS. 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 Ỹ T UẬT………………………………. NH NG I NIỆM CƠ ẢN………………………………. Hệ nhiệt động………………………………………………………. Các thông số trạng thái cơ bản……………. Phƣơng trình trạng thái của chất khí………………. Nhiệt lƣợng và cách tính nhiệt………………………………………21 1.27 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 . Nội dung và ý nghĩa của định luật nhiệt động I…………………. Các dạng biểu thức của định luật nhiệt động I………………………31 2. ng dụng của định luật nhiệt động I………………………………. Các quá trình nhiệt động của khí lý tƣởng…………………. Các quá trình nhiệt động thực tế……………. Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi nƣớc………………….61 Chương 3: C U TR N N IỆT Đ NG…………………………………. Một số khái niệm……. Chu trình Carnot thuận nghịch……………. Chu trình động cơ đốt trong…………………………………………76 3. Chu trình động lực hơi nƣớc………….87 Chƣơng 4: DẪN N IỆT……………………………………………………. Những khái niệm cơ bản. Dẫn nhiệt ổn định không có nguồn nhiệt bên trong….95 2 Chương 5: TR O ĐỔI N IỆT ĐỐI LƢU………………………………. Khái niệm cơ bản về trao đổi nhiệt đối lƣu………………. Công thức Newton và phƣơng pháp xác định hệ số tỏa nhiệt. Trao đổi nhiệt đối lƣu tự nhiên……………. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức…………….……………………113 Chương 6: TR O ĐỔI N IỆT ỨC XẠ…………………………………118 6. Các khái niệm cơ bản……. Các định luật cơ bản về bức xạ…………. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa các vật rắn trong môi trƣờng trong suốt …. Bức xạ chất khí…….………………………………………………127 Chương 7: TRUYỀN N IỆT V T IẾT TR O ĐỔI N IỆT……. Khái niệm chung……. Truyền nhiệt ổn định qua vách phẳng………………. Truyền nhiệt ổn định qua vách trụ…………………………………135 7. Truyền nhiệt qua vách có cánh……………. Tăng cƣờng truyền nhiệt…………. Thiết bị trao đổi nhiệt……….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. N NG I NIỆM CƠ ẢN 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. 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. 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. 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. Khí thực Khí thực là các khí tồn tại trong thực tế. Hơi nƣớc trong nồi hơi, hơi công chất ở trạng thái hơi bão h a là khí thực. 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. 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. 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. 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. Hệ thống cô lập Hệ thống cô lập là hệ thống không có bất kỳ sự trao đổi năng lƣợng nào với môi trƣờng. 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. 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.