Nhiệt động lực học và Chu trình Năng lượng: Tiếp cận Kỹ thuật Nhận thức bởi Chih Wu

• Tác giả: Chih Wu
• Chuyên ngành: Nhiệt động lực học
• Đề tài: Nhiệt động lực học và các chu trình sử dụng nhiệt: một tiếp cận kỹ thuật nhận thức
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: New York

Tóm tắt

I. Tổng quan về nhiệt động lực học và chu trình nhiệt

Nhiệt động lực học là ngành khoa học nghiên cứu về mối quan hệ giữa nhiệt năng, công năng và các dạng năng lượng khác. Chu trình nhiệt là chuỗi các quá trình nhiệt động tuần hoàn, trong đó vật chất làm việc hấp thụ nhiệt từ nguồn nóng, thực hiện sinh công và thải nhiệt ra nguồn lạnh. Theo tài liệu của Chih Wu, lĩnh vực này tiếp cận từ góc độ kỹ thuật nhận thức. Các thuộc tính cơ bản của hệ nhiệt động bao gồm áp suất, thể tích riêng, nhiệt độ và nội năng. Áp suất là lực pháp tuyến tác động trên một đơn vị diện tích. Thể tích riêng là thể tích trên một đơn vị khối lượng. Ba loại chất quan trọng nhất trong nhiệt động lực học là chất nguyên chất, khí lý tưởng và chất không nén được. Chất nguyên chất có thành phần hóa học đồng nhất. Khí lý tưởng tuân theo phương trình trạng thái pv=RT. Chất không nén được có thể tích riêng gần như không đổi trong quá trình nhiệt động. Hiểu biết về các khái niệm này là nền tảng để phân tích và thiết kế các hệ thống năng lượng hiệu quả.

1.1. Khái niệm cơ bản về hệ nhiệt động

Hệ nhiệt động là một vùng không gian được xác định bởi ranh giới rõ ràng. Hệ kín là hệ không trao đổi chất với môi trường xung quanh. Hệ mở là hệ cho phép chất đi qua ranh giới. Quá trình nhiệt động là sự biến đổi trạng thái của hệ từ trạng thái ban đầu sang trạng thái cuối cùng. Chu trình là tập hợp các quá trình mà hệ trở về trạng thái ban đầu. Các thuộc tính của hệ được chia thành thuộc tính nội tại và thuộc tính ngoại diên. Thuộc tính nội tại như áp suất và nhiệt độ không phụ thuộc vào khối lượng. Thuộc tính ngoại diên như thể tích và khối lượng phụ thuộc vào kích thước hệ.

1.2. Các loại chất trong nhiệt động lực học

Ba loại chất quan trọng nhất trong nhiệt động lực học là chất nguyên chất, khí lý tưởng và chất không nén được. Chất nguyên chất là chất có thành phần hóa học đồng nhất, tồn tại ở các pha rắn, lỏng hoặc khí. Khí lý tưởng tuân theo phương trình trạng thái pv=RT, trong đó R là hằng số khí. Chất không nén được có thể tích riêng gần như không đổi. Hiệu suất của hệ thống phụ thuộc vào tính chất của chất làm việc. Do đó, việc hiểu biết hành vi nhiệt động của các loại chất này là thiết yếu trong phân tích và thiết kế hệ thống năng lượng.

II. Phân tích nguyên lý hoạt động của chu trình nhiệt

Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học phát biểu rằng năng lượng không tự sinh ra hay mất đi, chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. Đối với hệ kín, định luật này được áp dụng để phân tích cân bằng năng lượng trong các quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp và đoạn nhiệt. Đối với hệ mở, nguyên lý bảo toàn khối lượng cũng được áp dụng đồng thời. Áp suất đóng vai trò là lực đẩy của công ranh giới nhiệt động. Nhiệt độ đo mức độ nóng của hệ và xác định hướng truyền nhiệt tự nhiên. Trong thực tế, hiệu suất chu trình nhiệt luôn nhỏ hơn một trăm phần trăm. Chu trình Carnot đặt ra giới hạn trên cho hiệu suất lý tưởng. Phân tích chu trình đòi hỏi hiểu biết sâu về mối quan hệ giữa các thuộc tính nhiệt động. Công cụ mô phỏng như CyclePad hỗ trợ quá trình tính toán và trực quan hóa kết quả một cách chính xác và nhanh chóng.

2.1. Định luật thứ nhất và bảo toàn năng lượng

Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học là biểu hiện của nguyên lý bảo toàn năng lượng. Đối với hệ kín, nhiệt truyền vào hệ bằng tổng công sinh ra và thay đổi nội năng. Công ranh giới được tính bằng tích phân áp suất nhân với vi phân thể tích. Các quá trình điển hình bao gồm quá trình đẳng nhiệt, quá trình đẳng tích, quá trình đẳng áp và quá trình đoạn nhiệt. Mỗi quá trình có đặc điểm riêng về sự biến đổi các thuộc tính. Định luật này áp dụng cho cả chu trình nhiệt, trong đó tổng nhiệt truyền vào bằng tổng công sinh ra.

2.2. Vai trò của thuộc tính nhiệt động trong chu trình

Áp suất, nhiệt độ và thể tích riêng là ba thuộc tính cơ bản chi phối hoạt động của chu trình nhiệt. Áp suất là lực pháp tuyến trên đơn vị diện tích, đóng vai trò là lực đẩy của công ranh giới. Thể tích riêng là nghịch đảo của mật độ, phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Nhiệt độ xác định hướng truyền nhiệt tự nhiên từ nguồn nóng sang nguồn lạnh. Sự tương tác giữa các thuộc tính này tạo nên đặc tính hoạt động của từng loại chu trình. Việc đo lường và kiểm soát chính xác các thuộc tính là yếu tố then chốt trong thiết kế hệ thống nhiệt.

III. Phương pháp thiết kế và tối ưu chu trình nhiệt

Thiết kế chu trình nhiệt hiệu quả đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và công cụ tính toán hiện đại. Phương pháp tiếp cận kỹ thuật nhận thức tập trung vào việc hiểu bản chất vật lý trước khi áp dụng công thức toán học. Các bước thiết kế bao gồm xác định chất làm việc, lựa chọn loại chu trình, tính toán các trạng thái và đánh giá hiệu suất. Công cụ mô phỏng CyclePad cho phép xây dựng mô hình chu trình bằng cách kết nối các thành phần từ thư viện. Sau đó chuyển sang chế độ phân tích để nhập dữ liệu và hiển thị kết quả. Tối ưu hóa chu trình liên quan đến việc tăng hiệu suất và giảm tổn thất entropy. Áp dụng đúng các định luật nhiệt động lực học giúp đảm bảo tính khả thi về mặt vật lý. Phương pháp này áp dụng được cho nhiều loại chu trình từ đơn giản đến phức tạp trong thực tế công nghiệp.

3.1. Phân tích hệ kín và hệ mở trong thực tế

Hệ kín không trao đổi chất với môi trường, chỉ trao đổi năng lượng dưới dạng nhiệt và công. Hệ mở cho phép chất đi qua ranh giới, áp dụng đồng thời nguyên lý bảo toàn khối lượng và năng lượng. Trong thực tế, động cơ piston hoạt động như hệ kín trong mỗi chu kỳ. Tuabin hơi nước và máy nén là ví dụ điển hình của hệ mở. Việc lựa chọn mô hình hệ phù hợp ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của phân tích. Mỗi loại hệ có phương trình cân bằng riêng biệt cần được áp dụng đúng cách.

3.2. Sử dụng công cụ mô phỏng và tính toán

Công cụ mô phỏng như CyclePad giúp tự động hóa quá trình tính toán chu trình nhiệt. Người dùng xây dựng mô hình bằng cách kéo thả các thành phần từ thư viện và kết nối chúng với nhau. Sau đó chuyển sang chế độ phân tích để nhập dữ liệu đầu vào như khối lượng, thể tích, áp suất. Phần mềm tự động tính toán và hiển thị các thuộc tính tại mỗi trạng thái. Điều này giúp giảm thời gian tính toán thủ công và tăng độ chính xác. Công cụ mô phỏng đặc biệt hữu ích khi phân tích các chu trình phức tạp nhiều giai đoạn.

IV. Kết luận và ứng dụng của chu trình nhiệt trong công nghiệp

Nhiệt động lực học và chu trình nhiệt đóng vai trò nền tảng trong phát triển công nghệ năng lượng. Các nguyên lý cơ bản về bảo toàn năng lượng, entropy và hiệu suất Carnot là kim chỉ nam cho thiết kế hệ thống. Ứng dụng rộng rãi bao gồm nhà máy nhiệt điện, hệ thống làm lạnh, động cơ đốt trong và hệ thống HVAC. Trong tương lai, nghiên cứu tập trung vào tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng và giảm phát thải. Công nghệ chu trình kết hợp sử dụng nhiệt thừa đang được phát triển mạnh mẽ. Phương pháp tiếp cận kỹ thuật nhận thức giúp người học hiểu bản chất vật lý trước khi giải bài toán. Sự tiến bộ trong công cụ tính toán cho phép tối ưu hóa thiết kế với chi phí thấp hơn. Kiến thức về nhiệt động lực học là không thể thiếu đối với kỹ sư cơ khí, năng lượng và hóa học.

4.1. Ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp năng lượng

Chu trình Rankine được sử dụng rộng rãi trong nhà máy nhiệt điện đốt than, khí và hạt nhân. Chu trình Brayton là nguyên lý hoạt động của tua-bin khí trong sản xuất điện và hàng không. Chu trình Otto và Diesel là nền tảng của động cơ đốt trong trong giao thông vận tải. Hệ thống làm lạnh sử dụng chu trình nén hơi để duy trì nhiệt độ thấp. Máy bơm nhiệt ứng dụng chu trình ngược để sưởi ấm không gian. Mỗi ứng dụng đòi hỏi thiết kế chu trình phù hợp với điều kiện vận hành cụ thể để đạt hiệu suất tối đa.

4.2. Hướng phát triển và tiềm năng tương lai

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào chu trình nhiệt hiệu suất cao và thân thiện môi trường. Công nghệ chu trình kết hợp cho phép tận dụng nhiệt thừa từ nhiều nguồn khác nhau. Chu trình organic Rankine sử dụng chất hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp để thu hồi nhiệt ở nhiệt độ thấp. Nghiên cứu về vật liệu mới giúp cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt. Tích hợp năng lượng tái tạo với chu trình nhiệt truyền thống đang là xu hướng chủ đạo. Các công cụ mô phỏng tiên tiến hỗ trợ quá trình thiết kế và tối ưu hóa hệ thống phức tạp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net THERMODYNAMICS AND HEAT POWERED CYCLES: A COGNITIVE ENGINEERING APPROACH www.net THERMODYNAMICS AND HEAT POWERED CYCLES: A COGNITIVE ENGINEERING APPROACH CHIH WU Nova Science Publishers, Inc. New York www.net Copyright © 2007 by Nova Science Publishers, Inc. All rights reserved. No part of this book may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means: electronic, electrostatic, magnetic, tape, mechanical photocopying, recording or otherwise without the written permission of the Publisher. For permission to use material from this book please contact us: Telephone [phone]; Fax [phone] Web Site: http://www.com NOTICE TO THE READER The Publisher has taken reasonable care in the preparation of this book, but makes no expressed or implied warranty of any kind and assumes no responsibility for any errors or omissions. No liability is assumed for incidental or consequential damages in connection with or arising out of information contained in this book. The Publisher shall not be liable for any special, consequential, or exemplary damages resulting, in whole or in part, from the readers’ use of, or reliance upon, this material. Independent verification should be sought for any data, advice or recommendations contained in this book. In addition, no responsibility is assumed by the publisher for any injury and/or damage to persons or property arising from any methods, products, instructions, ideas or otherwise contained in this publication. This publication is designed to provide accurate and authoritative information with regard to the subject matter covered herein. It is sold with the clear understanding that the Publisher is not engaged in rendering legal or any other professional services. If legal or any other expert assistance is required, the services of a competent person should be sought. FROM A DECLARATION OF PARTICIPANTS JOINTLY ADOPTED BY A COMMITTEE OF THE AMERICAN BAR ASSOCIATION AND A COMMITTEE OF PUBLISHERS. LIBRARY OF CONGRESS CATALOGING-IN-PUBLICATION DATA Wu, Chih, 1936- Thermodynamics and heat powered cycles : a cognitive engineering approach / Chih Wu. Includes bibliographical references and index. Thermodynamics--Data processing.402'1--dc22 2006004477 Published by Nova Science Publishers, Inc. New York www.net TO MY WIFE, HOYING TSAI WU AND TO MY CHILDREN, ANNA, JOY, SHEREE AND PATRICIA www.net CONTENTS Preface xiii Acknowledgements xv Chapter 1 Basic Concepts 1 1. Why Study Thermodynamics? 3 1. Dimensions and Units 5 1. Properties of a System 12 1. Processes and Cycles 24 1. Summary 29 Chapter 2 Properties of Thermodynamic Substances 31 2. Summary 69 Chapter 3 First Law of Thermodynamics for Closed Systems 71 3. First Law of Thermodynamics for a Closed System 80 3. First Law of Thermodynamics for a Closed System Apply to Cycles 84 3. Closed System for Various Processes 86 3.net viii Contents Chapter 4 First Law of Thermodynamics for Open Systems 109 4. Conservation of Mass 109 4. First Law of Thermodynamics 112 4. CyclePad Open System Devices 115 4. Systems Consisting of More than One Open-System Device 152 4. Summary 156 Chapter 5 Second Law of Thermodynamics 157 5. Second Law Statements 167 5. Reversible and Irreversible Processes 168 5. The Thermodynamic Temperature Scale 177 5. Summary 177 Chapter 6 Entropy 179 6. Entropy and Heat 180 6. Heat and Work as Areas 183 6. Entropy and Carnot Cycles 183 6. Second Law of Thermodynamics for Closed Systems 185 6. Second Law of Thermodynamics for Open Systems 187 6. Entropy Change of Irreversible Processes 210 6. The Increase of Entropy Principle 213 6. Second Law Efficiency and Effectiveness of Cycles 215 6. Available and Unavailable Energy 225 6. Summary 226 Chapter 7 Exergy and Irreversibility 227 7. Reversible and Irreversible Work 227 7. Reversible Work of a Closed System 231 7. Reversible Work of an Open System 234 7. Reversible Work of an Open System in a Steady-State Flow Process 235 7. Irreversibility of a Closed System 238 7. Irreversibility of an Open System 240 7. Exergy of a Heat Reservoir 245 www.net Contents ix 7. Exergy and Exergy Change of a Closed System 248 7. Exergy of a Flow Stream and Flow Exergy Change of an Open System 253 7. The Decrease of Exergy Principle 257 7. Exergy effectiveness of devices 259 7. Exergy Cycle Efficiency 261 7. Summary 266 Chapter 8 Vapor Cycles 269 8. Carnot Vapor Cycle 269 8. Basic Rankine Vapor Cycle 272 8. Improvements to Rankine Cycle 281 8. Actual Rankine Cycle 282 8. Reheat Rankine Cycle 289 8. Regenerative Rankine Cycle 295 8. Low-temperature Rankine Cycles 307 8. Solar Heat Engines 308 8. Geothermal Heat Engines 312 8. Ocean Thermal Energy Conversion 323 8. Solar Pond Heat Engines 328 8. Waste Heat Engines 330 8. Vapor Cycle Working Fluids 332 8. Non-Azeotropic Mixture Rankine Cycle 334 8. Super-Critical Cycle 336 8.18 Summary 353 Chapter 9 Gas Closed System Cycles 355 9.11 Summary 423 Chapter 10 Gas Open System Cycles 425 10. Brayton or Joule Cycle 425 10. Split-Shaft Gas Turbine Cycle 435 10. Improvements to Brayton Cycle 438 10. Reheat and Inter-Cool Brayton Cycle 439 www. Regenerative Brayton Cycle 444 10. Bleed Air Brayton Cycle 448 10. Steam Injection Gas Turbine Cycle 467 10. Summary 479 Chapter 11 Combined Cycle and Co-Generation 481 11. Triple Cycle in Series 489 11. Triple Cycle in Parallel 494 11. Brayton/Rankine Combined Cycle 499 11. Brayton/Brayton Combined Cycle 503 11. Rankine/Rankine Combined Cycle 508 11. Summary 528 Chapter 12 Refrigeration and Heat Pump Cycles 529 12. Carnot Refrigerator and Heat Pump 529 12. Basic Vapor Refrigeration Cycle 532 12. Actual Vapor Refrigeration Cycle 537 12. Basic Vapor Heat Pump Cycle 540 12. Actual Vapor Heat Pump Cycle 544 12. Working Fluids for Vapor Refrigeration and Heat Pump Systems 546 12. Cascade and Multi-Staged Vapor Refrigerators 547 12. Domestic Refrigerator-Freezer System, and Air Conditioning-Heat Pump System 555 12. Absorption Air-Conditioning 560 12. Brayton Gas Refrigeration Cycle 561 12. Stirling Refrigeration Cycle 567 12. Liquefaction of Gases 572 12. Non-Azeotropic Mixture Refrigeration Cycle 573 12. Summary 584 Chapter 13 Finite-Time Thermodynamics 587 13.net Contents xi 13. Rate of Heat Transfer 588 13. Curzon and Ahlborn (Endoreversible Carnot) Cycle 596 13. Curzon and Ahlborn Cycle with Finite Heat Capacity Heat Source and Sink 605 13. Finite Time Rankine Cycle with Infinitely Large Heat Reservoirs 609 13. Actual Rankine Cycle with Infinitely Large Heat Reservoirs 613 13. Ideal Rankine Cycle with Finite Capacity Heat Reservoirs 616 13. Actual Rankine Cycle with Finite Capacity Heat Reservoirs 626 13. Finite Time Brayton Cycle 633 13. Actual Brayton Finite Time Cycle 640 13. Other Finite Time Cycles 643 13. Summary 649 References 651 Index 653 www.net PREFACE Due to the rapid advances in computer technology, intelligent computer software and multimedia have become essential parts of engineering education. Software integration with various media such as graphics, sound, video and animation is providing efficient tools for teaching and learning. A modern textbook should contain both the basic theory and principles, along with an updated pedagogy. Often traditional engineering thermodynamics courses are devoted only to analysis, with the expectation that students will be introduced later to relevant design considerations and concepts. Cycle analysis is logically and traditionally the focus of applied thermodynamics. Type and quantity are constrained, however, by the computational efforts required. The ability for students to approach realistic complexity is limited. Even analyses based upon grossly simplified cycle models can be computationally taxing, with limited educational benefits. Computerized look-up tables reduce computational labor somewhat, but modeling cycles with many interactive loops can lie well outside the limits of student and faculty time budgets. The need for more design content in thermodynamics books is well documented by industry and educational oversight bodies such as ABET (Accreditation Board for Engineering and Technology). Today, thermodynamic systems and cycles are fertile ground for engineering design. For example, niches exist for innovative power generation systems due to deregulation, co-generation, unstable fuel costs and concern for global warming. Professor Kenneth Forbus of the computer science and education department at Northwestern University has developed ideal intelligent computer software for thermodynamic students called CyclePad*. CyclePad is a cognitive engineering software. It creates a virtual laboratory where students can efficiently learn the concepts of thermodynamics, and allows systems to be analyzed and designed in a simulated, interactive computer aided design environment. The software guides students through a design process and is able to provide explanations for results and to coach students in improving designs. Like a professor or senior engineer, CyclePad knows the laws of thermodynamics and how to apply them. If the user makes an error in design, the program is able to remind the user of essential principles or design steps that may have been overlooked. If more help is needed, the program can provide a documented, case study that recounts how engineers have resolved * CyclePad is freely distributed to the public. In just a few steps, anyone with access to a web browser can download the latest edition over the web. The necessary URL is: www. Computer literate users with an exposure to thermodynamics will require little or no help in order to effectively use the software.net xiv Chih Wu similar problems in real life situations. CyclePad eliminates the tedium of learning to apply thermodynamics, and relates what the user sees on the computer screen to the design of actual systems. This integrated, engineering textbook is the result of fourteen semesters of CyclePad usage and evaluation of a course designed to exploit the power of the software, and to chart a path that truly integrates the computer with education. The primary aim is to give students a thorough grounding in both the theory and practice of thermodynamics. The coverage is compact without sacrificing necessary theoretical rigor. Emphasis throughout is on the applications of the theory to actual processes and power cycles. This book will help educators in their effort to enhance education through the effective use of intelligent computer software and computer assisted course work. The book is meant to serve as the text for two semester courses of three credits each. It meets the needs of undergraduate degree courses in mechanical, aeronautical, electrical, chemical, environmental, industrial, and energy engineering, as well as in engineering science and courses in combined studies in which thermodynamics and related topics are an important part of the curriculum. Students of engineering technology and industrial engineers will also find portions of the book useful. Classical thermodynamics is based upon the concept of “equilibrium”. This means that time as an independent variable does not appear in conventional engineering thermodynamics textbooks. Heat transfer texts deal with the rate of energy transfer, but do not cover cycles. In this text, a chapter on “Finite-time thermodynamics” bridges the gap between thermodynamics and heat transfer. Attitudinal benefits were noted by Professor Wu while teaching CyclePad assisted thermodynamics, both at the U. Naval Academy and Johns Hopkins University. Today’s students tend to have a positive attitude toward computer assisted learning, quite a few describing the hands-on, interactive learning as “fun”. Material that is presented with a modern pedagogy is positively regarded, and tends to be better understood and retained. Further, an ability to execute realistically complicated cycle simulations builds confidence and a sense of professionalism. Both CyclePad and this text contain pedagogical aids. The intelligent computer software switches to a warning-tutoring mode when users attempt to impose erroneous assumptions or perform inappropriate operations during cycle analyses. Chapter summaries review the more salient textbook points and provide cohesion. Homework problems and worked examples appear liberally throughout the text which reinforce the theory. Both SI and English units systems are used in the book.net ACKNOWLEDGEMENTS I wish to acknowledge the following individuals who encouraged me and assisted in the text preparation: Dr. Susan Chipman of the Naval Office of Research, Professor Ken Forbus of Northwestern University, Dr. Vincent Aleven and Dr. Carolyn Rose of Carniege-Mellon University, and Professor Al Adams, CMDR. Matt Carr, Assistant Professor Jim Cowart, and Mr. Mike Spinks of the U.net Chapter 1 BASIC CONCEPTS 1. THERMODYNAMICS The field of science dealing with the relationships of heat, work, and properties of systems is called thermodynamics.