-

46
-

CHƯƠNG 5
CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ VÀ HƠI

5.1: QUÁ TRÌNH NÉN KHÍ HOẶC HƠI.
5.1.1: Khái niệm.
Khí hoặc hơi nén, đựơc sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp, đời sống, y
tế,… Dựa vào đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc thì máy nén khí chia làm 2 loại:
- Máy nén piston: loại này khí được hút vào xilanh nén với áp suất cao rồi đẩy
vào bình chứa.
- Máy nén ly tâm, hướng trục và vòi phun: nén bằng cách tạo cho chất khí có
vận tốc lớn, biến động năng thành nội năng làm tăng áp suất chất khí.
Tuy vậy về phương diện động học quá trình nén xảy ra trong các máy đều như
nhau, ở đây ta đề cập máy nén piston.

5.1.2: Quá trình nén khí trong máy nén piston 1 cấp.
a/ Các quá trình cơ bản
:
v
2
c

b

a

Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

-

47
-

Trong đó:
1-2
T
: quá trình nén đẳng nhiệt
1-2
n
: quá trình nén đa biến (với n = 1,2  1,25)
1-2
k
: quá trình nén đoạn nhiệt
* Khi piston đi từ trái sang phải khí được nạp vào xilanh với áp suất không đổi
quá trình: 4-1, quá trình này trạng thái khí không đổi.
* Khi piston chuyển động ngược lại ( 2 van đều đóng), khí trong xilanh bò nén

1
p
dp

Tích phân ta được:
l
n
= - RT
1
2
ln
p
p
(5-2)
Hay l
n
= - p
1
v
1
1
2
ln
p
p
(5-3)
+ Khi quá trình nén là đoạn nhiệt:
Ta có phương trình tổng quát quá trình đoạn nhiệt:
pv
k

p
const
p
vp
11
1
1
1


Thay vào (5-1)

 l
n
= -


2
1
1
1
1
1
dppvp
k
k

Tích phân ta được:
 l
n

p
p
vp
k
k
(5-4)
hay l
n
= -
































1
1
1
1
2
1
n
n
p
p
RT
n
n
(5-6)
* Nhận xét
: Trong 3 quá trình nén, máy nén có quá trình nén đẳng nhiệt công
tiêu hao máy nén là nhỏ nhất, máy nén có quá trình nén đoạn nhiệt có công tiêu hao
là lớn nhất.
c) Tác hại của dung tích thừa
:

2

p
1
0
v
tt
1
v
tv
lt

0’
Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

-

49
-

Trong đó:
V
t
: Dung tích thừa
V


v

< 1.
5.1.3: Quá trình nén khí trong máy nén piston nhiều cấp.
Khi sử dụng máy nén piston 1 cấp, nếu ta tăng áp suất thì lượng khí nén sẽ
giảm xuống. Do đó khi cần nén áp suất cao sử dụng máy nén 1 cấp không có lợi. Mặt
khác áp suất nén càng cao thì nhiệt độ càng lớn làm cho chế độ bôi trơn kém. Thực tế
p
2
 (10  12) p
1
.
Vì vậy khi nén áp suất cao người ta sử dụng máy nén nhiều cấp có làm mát
trung gian.
a/ Sơ đồ nguyên lý máy nén 2 cấp có làm mát trung gian
:


Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

-

50
-A: Đường nước làm mát
B: Bộ làm mát trung gian
C: Bình chứa.
b/ Đồ thò lý thuyết máy nén 2 cấp có làm mát trung gian
:

Trong đó:
1-2: quá trình nén đa biến ở cấp 1.
2-2’: quá trình làm mát đẳng áp ở bộ làm mát trung gian.


























1
1
1
1
1


























2
1
1
2
3

T
3
= const

2
3
V

p
p
2
2'
1

3'
Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

-

51
-

Để công tiêu hao có trò tuyệt đối là nhỏ nhất thì giá trò trong ngoặc vuông là
nhỏ nhất ( nhiệt độ sau khi nén phải trở về bằng trước khi nén).
- Quá trình 1-2:

n
n

3
'2
3










(b)
mà T
2
= T
3

T
2’
= T
1
p
2’
= p
2

(b)


2
p
p
p
p
: tỉ số tăng áp

1
3
2
p
p


1
3
p
p



Vậy để công tiêu hao có trò tuyệt đối là nhỏ nhất ta chọn tỉ số tăng áp ở mổi
cấp phải bằng nhau.
(5-8)
 l
nmin
= -







1
1
2
1
1
n
n
RT
n
n


Vậy công tiêu hao nhỏ nhất của máy nén hai cấp sẽ là:
 l
nmin
= -











1
1
p
p
i
i

dau
cuoi
i
p
p

Công nhỏ nhất máy nén i cấp:
Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

-

52
-

l
nmin
= -



p
RT
n
ni
(5-10)

c) Nhiệt thải qua xilanh và qua bình làm mát trung gian
:
Nhiệt thải của máy nén bao gồm hai thành phần:
- Nhiệt thải do quá trình nén đa biến, thông qua xilanh.
- Nhiệt thải qua bình làm mát trung gian (đẳng áp).
Đồ thò biểu thò quá trình thải nhiệt máy nén 2 cấp.

Trong đó: Nhiệt thải qua xilanh ở cấp nén thứ nhất tương ứng với diện tích
(1,2,s
2
,s
1
,1).
Ta có:
q

T
T
n
kn

hay q
x
= c
v























1
1
1
1
n
n
T
n
kn

(a)
- Nhiệt thải qua bình làm mát trung gian ứng với diện tích (2, 2’, s
2’ ,
s
2
,2).
Ta có: q
t
= c
p
(T
2’
- T
2
)
hay q
t
= c
p

2’
2
1
p
2
= const p
1
=const
s
2’
s
1
s
2
Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

-

53
-

q
t
= c
p
T
1











1
1
1
2
n
n
p
p

q
t
= c
p
T
1







1
1
1
1
n
n
T
n
kn

+ ( i -1) c
p
T
1










1
1
n
n










pv
n
n
i
d
c
ci
n
kn
ci
p
p
T 1
1
1
1
1
(5-11)

5.2: QUÁ TRÌNH LƯU ĐỘNG.
5.2.1: Khái niệm.
Trong một số động cơ hiện nay khi yêu cầu tốc độ lớn, nếu sử dụng động cơ
piston sẽ gặp một số hạn chế như: sức bền không cho phép, công suất thừa,… Để khắc

Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

-

54
-

G: lưu lượng (kg/s)

: tốc độ dòng (m/s)
f : tiết diện ngang của ống (m
2
)
v: thể tích riêng (m
3
/kg)
0-0: Mặt cắt thẳng góc chiều chuyển động ở cửa vào
1-1: Mặt cắt thẳng góc chiều chuyển động ở cửa ra.
a/ Tính chất của dòng

vpk
, (m/s) (5-14)
Đối với khí lý tưởng:
a =
TRk
, (m/s)
Tốc độ âm thanh phụ thuộc môi trường và trạng thái chất khí.
1
Dòng
khí vào
Dòng
khí ra
0

0

1
Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

-

55
-

- Số Mach: ký hiệu M, là tỉ số giữa vận tốc dòng và vận tốc âm thanh.
 M =
a


0
– i
1
=
2
2
0
2
1




1
=
 
2
010
2

 ii
, m/s (5-16)
Trong đó: 
0
, 
1
: Vận tốc dòng ở cửa vào và ra, m/s
i
0
, i



2
2

= - vdp
Tích phân và lấy cận từ 0 đến 1, ta được:




1
0
01
1
0
2
0
2
1
2
lkvdp

(e)

với : l
01
=




Từ (e) 
2
2
0
2
1


=





















1
0
1
00
1
1
2

































k
k
p
p
vp
k
k
1
0
1
00
1
1
2
, (m/s) (5-18)
b/ Lưu lượng:
Từ giả thuyết của quá trình lưu động, ta có:
G=
1
11
v

k
k
v
f
1
0
1
00
1
1
1
1
2
(5-19)
Quá trình lưu động là đoạn nhiệt nên:
v
1
= v
0
k
p
p
1
1
0










k
k
k
p
p
p
p
v
p
k
k
f
1
0
1
2
0
1
0
0
1
1
2
(5-20)
Ở đây: k, f
1

k
f
12
0
0
1
1
2

, (kg/s) (5-21)
* Các giá trò đặc biệt của G: lưu lượng G phụ thuộc vào 
. G = 0 Khi  = 0 hoăc  = 1
p
1
 0
 = 0
p
0
 
 = 1  p
1
= p
0 . G = G
max

Để xác đònh G
max


Thay

th
vào (5-20) ta nhận được G
max
sẽ là:
G
max
=
k
k
k
k
k
k
k
kkv
p
k
k
f
1
1
2
1
0
0
1
1





















G
max
=








2
k
k
k
kkv
p
k
k
f

Đặt
1
2
1
2








k
k
làm thừa số chung và rút gọn, ta được:
G
max
=
1

nghóa là p
1
càng giảm. ng với sự giảm của p
1
thì lưu lượng G sẽ tăng lên,
nhưng p
1
không thể nhỏ hơn p
th
cho nên lưu lượng G sẽ đạt đến một giá trò cực
đại gọi là G
max
như đã xác đònh.

Quan hệ giữa G
max
và 


1
ở cửa ra không thể lớn hơn
một giá trò xác đònh gọi là vận tốc tới hạn

th
. Do vậy áp suất p
1
của môi chất ở
cửa ra cũng không thể nhỏ hơn p
th
. Để xác đònh vận tốc tới hạn, ta thay 
th
vào
(5-18):
 
th
=














2
1
1
2

Rút gọn:

th
=














 1
2
1
1
2
00
k

11
0000
1




















; với:
thth
p
p

1
0


kk
vp
vp
k
k
k
k
thth p
0
v
0
= p
th
v
th







2
1k

Từ (5-23)  

.

Hay v.G =f.
Vi phân 2 vế:
Gdv = f.d
 + .df
Chia 2 vế cho f. ta được:
Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

-

59
-f
dfd
dv
f
G






f
dfd

kp
dp
v
dv

(c)
Thay (b) và (c) vào (a) ta được:

kp
dpvdp
f
df

2





2
22


kp
dpa
f
df 

(5-25)
Vậy:

có dạng lớn dần. Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

-

60
-

Thực tế vận tốc ban đầu thường nhỏ hơn vận tốc âm thanh, để có được vận
tốc sau cùng lớn hơn vận tốc âm thanh ta phải dùng ống tăng tốc hỗn hợp, còn gọi là
ống Laval và có dạng như øsau:


0
p
0
f
1

p
1
v
1

1
> a
p
th
v
th

th
= a
f
0

p
0
v
0

0

- Quá trình tiết lưu là quá trình không thuận nghòch và là quá trình đoạn nhiệt
nên không phải là quá trình đẳng entropy (trao đổi nhiệt giữa chất môi giới với môi
trường rất nhỏ).
- Khi qua tiết lưu áp suất giảm nhưng không sinh công ngoài mà để thắng sức
cản do ma sát và xoáy.
Từ đònh luật nhiệt động 1 cho dòng khí:
dq = di + d








2
2

= 0 (đoạn nhiệt) (a)
 di = - .d
Tích phân từ 0  1 ta được:
i
0
– i
1
=
2
2
0
2

1


0
= 
1
i

p


0
0 1
Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM

-

62
-5.3.2 : Hiệu ứng Joule – Thomson.
Đối với khí thực quá trình tiết lưu nhiệt độ thay đổi như thế nào, ta dựa vào
khái niệm hiệu ứng Joule – Thomson như sau:

 =
i
dp

cb
T
(với
h
cb
T
>
l
cb
T
)
. Nếu chất khí có nhiệt độ ban đầu T
o
<
h
cb
T
: Nhiệt độ sẽ giảm sau tiết lưu.
. Nếu chất lỏng có nhiệt độ ban đầu T
o
>
l
cb
T
: Nhiệt độ cũng sẽ giảm sau tiết
lưu.
Quá trình tiết lưu được ứng dụng trong kỹ thuật lạnh, điều chỉnh công suất cũng
như lưu lượng dòng,…
Có thể xác đònh
 bằng phương trình vi phân enthanpy:

dpv
T
v
T


















Thay dT vào (5-26) ta được:
 =
p
p
c
v
T
v