Chương 2 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN docx

- ðiều kiện ñể xảy ra quả trình sôi: Khi cung cấp nhiệt cho chất lỏng thì nhiệt ñộ của nó tăng lên và cường ñộ bay hơi cũng tăng lên, ñến một nhiệt ñộ xác ñịnh nào ñó thì hiện tượng bay

Chương 2 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ðỘNG CƠ BẢN

2.1 Khái niệm

2.1.1 Hơi nước là 1 khí thực

Hơi nước có rất nhiều ưu ñiểm so với các môi chất khác như có nhiều trong thiên nhiên, rẻ tiền và ñặc biệt là không ñộc hại ñối với môi trường và không ăn mòn thiết bị, do ñó nó ñược sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp Hơi nước thường ñược sử dụng trong thực tế ở trạng thái gần trạng thái bão hoà nên không thể

bỏ qua thể tích bản thân phân tử và lực hút giữa chúng Vì vậy, không thể dùng phương trình trạng thái lí tưởng cho hơi nước ñược

Phương trình trạng thái cho hơi nước ñược dùng nhiều nhất hiện nay là phương trình Vukalovich-novikov:

Ở ñây : a b m, , là các hệ số ñược xác ñịnh bằng thực nghiệm

Từ công thức này người ta ñã xây dựng bảng và ñồ thị hơi nước

2.1.2 Quá trình hoá hơi của nước

Nước có thể chuyển từ thể lỏng sang thể hơi nhờ quá trình hoá hơi Quá trình hoá hơi có thể là bay hơi hoặc sôi

* Quá trình bay hơi:

Quá trình bay hơi là quá trình hoá hơi chỉ xảy ra trên bề mặt thoáng chất lỏng, ở nhiệt

- Cường ñộ bay hơi phụ thuộc vào bản chất và nhiệt ñộ của chất lỏng Nhiệt ñộ càng cao thì tốc ñộ bay hơi càng lớn

* Quá trình sôi:

Quá trình sôi là quá trình hoá hơi xảy ra cả trong lòng thể tích chất lỏng

- ðiều kiện ñể xảy ra quả trình sôi: Khi cung cấp nhiệt cho chất lỏng thì nhiệt ñộ của

nó tăng lên và cường ñộ bay hơi cũng tăng lên, ñến một nhiệt ñộ xác ñịnh nào ñó thì hiện tượng bay hơi xảy ra cả trong toàn bộ thể tích chất lỏng, khi ñó các bọt hơi xuất hiện cả trên bề mặt nhận nhiệt lẫn trong lòng chất lỏng, ta nói chất lỏng sôi Nhiệt ñộ

ñó ñược gọi là nhiệt ñộ sôi hay nhiệt ñộ bão hoà

- ðặc ñiểm của quá trình sôi: Nhiệt ñộ sôi phụ thuộc vào bản chất và áp suất của chất lỏng ñó Ở áp suất không ñổi nào ñó thì nhiệt ñộ sôi của chất lỏng không ñổi, khi áp suất chất lỏng càng cao thì nhiệt ñộ sôi càng lớn và ngược lại

2.1.3 Quá trình ngưng tụ

Quá trình ngược lại với quá trình sôi là quá trình ngưng tụ, trong ñó hơi nhả nhiệt và biến thành chất lỏng Nhiệt ñộ của chất lỏng không thay ñổi suốt trong quá trình ngưng tụ

2.2 Quá trình hóa hơi ñẳng áp

2.2.1 Mô tả quá trình

Giả thiết nước bắt ñầu ở trạng thái O trên ñồ thị p-v và T-s (xem hình) có nhiệt

ñộ t , thể tích riêng là v Khi cung cấp nhiệt cho nước trong ñiêu kiện áp suất không ñổi p = const, nhiệt ñộ và thể tích riêng tăng lên ðến nhiệt ñộ nào ñó thì nước bắt ñầu sôi, có thể tích riêng là 'v và các thông số trạng thái khác tương ứng là: u’, i’, s’,

trạng thái sôi ñược biểu thị bằng ñiểm A t s ñược gọi là nhiệt ñộ sôi hay nhiệt ñộ bão

hoà ứng với áp suất p

Nếu tiếp tục cấp nhiệt vẫn ở áp suất ñó thì cường ñộ bốc hơi càng tăng nhanh, nhiệt ñộ của nước và hơi không thay ñổi và bằng t s ðến một lúc nào ñó thì toàn bộ nước sẽ biến hoàn toàn thành hơi trong khi nhiệt ñộ của hơi vẫn còn giữ ở nhiệt ñộ t s Hơi nước ở trạng thái này ñược gọi là hơi bão hoà khô, ñược biễu diễn bằng ñiểm C Các thông số tại ñiểm C ñược kí hiệu là v’’, u’’, i’’, s’’ Nhiệt lượng cấp vào cho 1 kg nước từ khi bắt ñầu sôi ñến khi biến thành hơi hoàn toàn ñược gọi là nhiệt ẩn hoá hơi,

kí hiệu là r= − i" i'

Nếu ta cung cấp nhiệt cho hơi bão hoà khô vẫn ở áp suất ñó thì nhiệt ñộ và thể tích riêng của nó lại bắt ñầu tiếp tục tăng lên Hơi nước ở nhiệt ñộ này gọi là hơi quá

nhiệt Các thông số hơi quá nhiệt kí hiệu là v, p, t, i, s Hiệu số nhiệt ñộ của hơi quá

nhiệt và hơi bão hoà ñược gọi là ñộ quá nhiệt ðộ quá nhiệt càng cao thì hơi càng gần với khí lí tưởng

Vậy ở áp suất p không ñổi, khi cấp nhiệt cho nước ta sẽ có các trạng thái O,

A, C tương ứng với nước chưa sôi, nước sôi và hơi bão hoà khô Quá trình ñó ñược

gọi là quá trình hoá hơi ñẳng áp

Tương tự như vậy, nếu cấp nhiệt ñẳng áp cho nước ở áp suất p1 = constthì

ta có các trạng thái tương ứng kí hiệu O A C1, ,1 1 và ở áp suất p2 = const ta cũng có các ñiểm tương ứng là O A C2, 2, 2

2.2.2 Các ñường ñặc tính của nước

Khi nối các ñiểm O , O1, O2, O3 ta ñược một ñường gọi là ñường nước

chưa sôi, ñường này gần nhà thẳng ñứng, chứng tỏ thể tích riêng của nước rất ít phụ thuộc vào áp suất

Khi nối các ñiểm A A, , , 1 A2 A3 ta ñược một ñường cong biểu thị trạng thái nước

sôi gọi là ñường giới hạn dưới Khi nhiệt ñộ sôi tăngthì thể tích riêng của nước sôi ,

v

tăng, do ñó ñường cong này dịch dần về phía bên phải khi tăng áp suất

Khi nối các ñiểm C C C, , , 1 2 C3 ta ñược một ñường cong biểu thị trạng thái hơi

bão hoà khô, gọi là ñường giới hạn trên Khi áp suất tăng thì thể tích riêng của hơi bão

hoà khô giảm nên ñường cong này dịch về phía trái

ðường giới hạn trên và ñường giới hạn dưới gặp nhau tại ñiểm K , gọi là ñiểm tới hạn

Trạng thái tại ñiểm K gọi là trạng thái tới hạn, ñó chính là trạng thái mà không còn sự

khác nhau giữa chất lỏng sôi và hơi bão hào khô Các thông số tương ứng với trạng

thái ñó ñược gọi là thông số tới hạn

*Ví dụ: nước có p k = 22,1Mpa, 374o

k

t = C, v k =0.00326 m3 /kg, 2156,2 /

k

i = kj kg,s k =4,43 /kj kgñộ

Hai ñường giới hạn trên và dưới chia ñồ thị làm 3 vùng Vùng bên trái ñường giới hạn dưới là vùng nước chưa sôi, vùng bên phải ñường giới hạn trên là vùng hơi quá nhiệt,

còn vùng giữa hai ñường giới hạn là vùng hơi bão hoà ẩm

Trong vùng bão hoà ẩm thì nhiệt ñộ và áp suất không còn là thông số ñộc lập nữa ứng với nhiệt ñộ sôi, môi chất có áp suất nhất ñịnh và ngược lại ở một áp suất xác ñịnh, môi chất có nhiệt ñộ sôi tương ứng Vì vậy, ở vùng này muốn xác ñịnh trạng thái

của mỗi chất phải dùng thêm một thông số nữa gọi là ñộ khô x hay ñộ ẩm y của

n

G y

=+Như vậy ta thấy: Trên ñường giới hạn dưới lượng hơi G h = , do ñó ñộ khô 0 x= , 0

ñộ ẩm y= Còn trên ñường giới hạn trên, lượng nước ñã biến hoàn toàn toàn thành 1hơi nên G n = nghĩa là ñộ khô 0 x= , ñộ ẩm 1 y= và giữa hai ñường giới hạn có ñộ 0khô: 0 < x < 1

2.3 Xác ñịnh các thông số trạng thái của nước và hơi bảo hòa

Cũng như hơi của các chất lỏng khác, hơi nước là một khí thực, do ñó không thể tính toán theo phương trình trạng thái của khí lí tưởng ñược Muốn tính toán chúng cần phải sử dụng các ñồ thị hoặc bảng số ñã ñược lập sẵn cho từng loại hơi

2.3.1 Các bảng và xác ñịnh thông số trạng thái của nước

* Bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt:

ðể xác ñịnh trạng thái môi chất ta cần biết hai thông số trạng thái ñộc lập Trong vùng nước chưa sôi và vùng hơi quá nhiệt, nhiệt ñộ và áp suất là hai thông số ñộc lập, do ñó bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ñược xây dựng theo hai thông số này Bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ñược trình bày ở phần phụ lục, bảng này cho phép xác ñịnh các thông số trạng thái v i s, , của nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ứng với một áp suất và nhiệt ñộ xác ñịnh nào ñó

Từ ñó ñịnh ñược:

u= −i pv

* Bảng nước sôi và hơi bão hòa khô:

Khi môi chất có trạng thái trong vùng giữa ñường giới hạn dưới (ñường nước sôi) và ñường giới hạn trên (ñường hơi bão hào khô) thì nhiệt ñộ và áp suất không còn

là hai thông số ñộc lập nữa, vì vậy muốn xác ñịnh trạng thái của môi chất thì cần biết thêm một thông số khác nữa

ðộ khô cũng là một thông số trạng thái Nước sôi có ñộ khô x= , hơi bão hòa 0khô có ñộ khô x= , như vậy trạng thái của môi chất trên các ñường giới hạn này sẽ 1ñược xác ñịnh khi biết thêm một thông số trạng thái nữa là áp suất p hoặc nhiệt ñộ t Chính vì vậy các thông số trạng thái khác của nước sôi và hơi bão hòa khô có thể ñược xác ñịnh bằng bảng nước sôi và hơi bão hoà khô theo áp suất hoặc nhiệt ñộ

Bảng “nước sôi và hơi bão hòa khô” có thể cho theo p hoặc t , ñược trình bày trong

phần phụ lục, cho biết các thông số trạng thái của nước sôi ( '

v, i’, ’s ), hơi bão hòa khô (v”, ”, ”i s ) và nhiệt ẩn hoá hơi r theo áp suất hoặc theo nhiệt ñộ

Khi môi chất ở trong vùng hơi ẩm, các thông số trạng thái của nó có thể ñược

tính theo các thông số trạng thái tương ứng trên các ñường giới hạn và ñộ khô x ở

cùng áp suất

Vi dụ: Trong 1kg hơi ẩm có ñộ khô x , sẽ có x kg hơi bão hòa khô với thể tích ” v và

(1-x) kg nước sôi với thể tích ’v Vậy thể tích riêng của hơi ẩm sẽ là:

” 1- ’ ’ ” – ’

x

v = xv + x v =v + x v v

Như vậy, muốn xác ñịnh các thông số trạng thái của hơi ẩm có ñộ khô x ở áp suất p ,

trước hết dựa vào bảng “nước sôi và hơi bão hòa khô” ta xác ñịnh các thông số

’, ’, ’

v i s của nước sôi và v i s”, ”, ” của hơi bão hòa khô theo áp suất p , sau ñó tính các

thông số tương ứng của hơi ẩm theo công thức:

+ Φ là thông số trạng thái của hơi bão hòa ẩm có ñộ khô x (ví dụ , , x v x i x s x),

+ 'Φ là thông số trạng thái ’, ’, ’ v i s của nước sôi tương ứng trên ñường x=0

+ ''Φ là thông số trạng thái ”, ”, ” v i s của hơi bão hòa khô tương ứng trên ñường 1

x= ở cùng áp suất

2.3.2 ðồ thị T-s và i-s của hơi nước

Các bảng hơi nước cho phép tính toán các thông số trạng thái với ñộ chính xác cao, tuy nhiên việc tính toán phức tạp và mất nhiều thời giờ ðể ñơn giản việc tính toán, ta có thể dùng ñồ thị của hơi nước Dựa vào ñồ thị có thể xác ñịnh các thông số còn lại khi biết 2 thông số ñộc lập với nhau ðối với hơi nước, thường dùng các ñồ thị T-s, i-s

* ðồ thị T -s của hơi nước:

ðồ thị T-s của hơi nước ñược biểu thị trên hình, trục tung của ñồ thị biễu diễn nhiệt ñộ, trục hoành biểu diễn entropi Ở ñây các ñường ñẳng áp trong vùng nước chưa sôi gần như trùng với ñường giới hạn giới x= (thực tế nằm trên ñường 0 x= ), 0trong vùng hơi bão hoà ẩm là các ñường thẳng song song với trục hoành và trùng với ñường ñẳng nhiệt, trong vùng hơi quá nhiệt là các ñường cong lõm ñi lên Các ñường

ñộ khô không ñổi xuất phát từ ñiểm K ñi tỏa xuống phía dưới

ðồ thị T-s ñược xây dựng cho vùng hơi bão hòa và vùng hơi quá nhiệt

* ðồ thị i-s của hơi nước:

Theo ñịnh luật nhiệt ñông thứ nhất ta có q= ∆ − , mà trong quá trình ñẳng áp i l

0

dp = do ñó l= , vậy 0 q= ∆ = − Nghĩa là trong quá trình ñẳng áp, nhiệt i i2 i1

lượng q trao ñổi bằng hiệu entanpi, vì vậy ñồ thị i-s sử dụng rất thuận tiện khi tính

nhiệt lượng trong quá trình ñẳng áp ðồ thị i-s của hơi nước ñược biểu diễn trên hình dưới, trục tung biễu diễn entanpi, trục hoành biễu diễn Entropi, ñược xây dựng trên cơ

sở các số liệu thực nghiệm

ðồ thị gồm các ñường: ðường ñẳng áp ( p=const) trong vùng hơi ẩm là các ñường thẳng nghiêng ñi lên, trùng với ñường ñẳng nhiệt tương ứng; trong vùng hơi quá nhiệt là các ñường cong lõm ñi lên

ðường ñẳng nhiệt trong vùng hơi ẩm trùng với ñường ñẳng áp, là những ñường thẳng nghiêng ñi lên, trong vùng hơi quá nhiệt là những ñường cong lồi ñi lên và càng

xa ñường x = 1 thì càng gần như song song với trục hoành ðường ñẳng tích dốc hơn ñường ñẳng áp một ít ðường ñộ khô x = const là chùm ñường cong xuất phát

từ ñiểm K ñi xuống phía dưới

2.4 Các quá trình nhiệt ñộng của hơi nước

Trạng thái cuối ñược biễu diễn

bằng ñiểm 2, ñược xác ñịnh bằng giao

ñiểm của ñường v2 = v1 = const và

ñường p2 = const, từ ñó xác ñịnh

các thông số khác như ñối với ñiểm 1

- Công của quá trình:

1, là giao ñiểm của ñường p1 = const với ñường t1 = const Các thông số còn lại i1, s1, 1

v ñược xác ñịnh bằng cách ñọc các ñường i ,

s và v ñi qua ñiểm 1 Trạng thái cuối ñược

biểu diễn bằng ñiểm 2, ñược xác ñịnh bằng giao ñiểm của ñường p2 = p1 = const với ñường x2 = const, từ ñó xác ñịnh các thông

số khác nhà ñối với ñiểm 1

- Công của quá trình:

q= ∆ +u l = i i

2.4.3 Quá trình ñẳng nhiệt

Quá trình ñẳng nhiệt của hơi nước ñược biểu diễn bằng ñường 1-2 trên ñồ thị i-s hình 5.6 Trạng thái ñầu ñược biểu diễn bằng ñiểm 1, là giao ñiểm của ñường t1 và 1

x Các thông số còn lại v1, 1

i , s1 ñược xác ñịnh bằng

cách ñọc các ñường v , i , s

ñi qua ñiểm 1

Trạng thái cuối ñược biễu diễn bằng ñiểm 2, là giao ñiểm của ñường p2 với ñường t2 = t1 = const, từ

ñó xác ñịnh các thông số khác nhà ñối với ñiểm 1

- Biến thiên nội năng:

2.4.4 Quá trình ñoạn nhiệt

Quá trình ñoạn nhiệt của hơi

nước ñược biễu diễn bằng ñường 1-2

trên ñồ thị i-s hình 5-7 Trong quá

trình này, dq = 0 nếu ds = 0

Trên ñồ thị T-s và i-s quá trình ñoạn

nhiệt là một ñoạn thẳng song song với

2.5.1.1 ðịnh nghĩa và tính chất của không khí ẩm

Không khí ẩm (khí quyển) là một hỗn hợp gồm không khí khô và hơi nước Không khí khô là hỗn hợp các khí có thành phần thể tích: Nitơ khoảng 78%; Oxy: 20,93%; Carbonnic và các khí trơ khác chiếm khoảng 1%

Hơi nước trong không khí ẩm có phân áp suất rất nhỏ (khoảng 15 ñến 20 mmHg), do ñó ở nhiệt ñộ bình thường thì hơi nước trong khí quyển là hơi quá nhiệt, ta coi nó là khí lý tưởng Như vậy, có thể coi không khí ẩm là một hỗn hợp khí lý tưởng,

có thể sử dụng các công thức của hỗn hợp khí lý tưởng ñể tính toán không khí ẩm, nghĩa là:

2.5.1.2 Phân loại không khí ẩm

Tuỳ theo lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm, ta chia chúng ra thành 3 loại:

* Không khí ẩm bão hoà:

Không khí ẩm bão hòa là không khí

ẩm mà trong ñó lượng hơi nước ñạt tới giá trị lớn nhất G=Gmax Hơi nước ở ñây là hơi bão

hòa khô, ñược biễu diễn bằng ñiểm A trên ñồ

thị T-s hình 6.9

* Không khí ẩm chưa bão hòa:

Không khí ẩm chưa bão hòa là không khí ẩm mà trong ñó lượng hơi nước chưa ñạt tới giá trị lớn nhất G<Gmax, nghĩa là còn có thể nhận thêm một lượng hơi nước nữa mới trở thành không khí ẩm bão hòa Hơi nước ở ñây là hơi quá nhiệt, ñược biểu diễn bằng ñiểm B trên ñồ thị T-s hình 6.9

* Không khí ẩm quá bảo hòa:

Không khí ẩm quá bão hòa là không khí ẩm mà trong ñó ngoài lượng hơi nước lớn nhất Gmax, còn có thêm một lượng nước ngàng nữa chứa trong nó Hơi nước ở ñây

là hơi bão hòa ẩm Nếu cho thêm một lượng hơi nước nữa vào không khí ẩm bão hòa thì sẽ có một lượng chừng ñó hơi nước ngưng tụ lại thành nước, khi ñó không khí ẩm bão hòa trở thành không khí quá bão hòa

Ví dụ: Sương mù là không khí ẩm quá bão hòa vì trong ñó có các giọt nước ngưng tụ

Từ ñồ thị hình 6.9 ta thấy, có thể biến không khí ẩm chưa bão hòa thành không khí ẩm bão hòa bằng hai cách:

+ Giữ nguyên nhiệt ñộ không khí ẩm t h = const, tăng phân áp suất của hơi nước từ

h

p ñến p hmax (quá trình BA1) Áp suất p hmax là áp suất lớn nhất hay còn gọi là áp suất

bão hòa Nghĩa là tăng lượng nước trong không khí ẩm chưa bão hòa ñể nó trở thành không khí ẩm bão hòa

+ Giữ nguyên áp suất hơi p h = const, giảm nhiệt ñộ không khí ẩm từ t h ñến nhiệt ñộ ñọng sương t s (quá trình BA2) Nhiệt ñộ ñọng sương t s là nhiệt ñộ tại ñó hơi ngưng tụ lại thành nước

2.5.1.3 Các ñại lượng ñặc trưng cho không khí ẩm

G

kg m V

ρϕρ

Entanpi của không khí ẩm bằng tổng entanpi của không khí khô và entanpi của

hơi nước chứa trong ñó Trong kĩ thuật thường tính entanpi của 1kg không khí khô và

d kg hơi nước chứa trong (1 d kg+ ) không khí ẩm, kí hiệu là i :

k ,h /

i = i + d i kJ kgK

Trong ñó:

+ i k - en tanpi của 1kg không khí khô, i k = C t pk , mà C pk = 1kJ kgK/ vậy i k = ; t

+ i h - entanpi của hơi nước, nếu không khí ẩm chưa bão hoà thì hơi nước là hơi quá nhiệt có i h = 2500 + C t ph = 2500 + 1,9t;

entanpi của không khí ẩm [kJ/kgK], trục hoành là ñộ chứa hơi d g kgK[ / ] Trục i và

d không vuông góc với nhau mà

tạo với nhau một góc 135 , ñồ 0

+ðường t = const trong

vùng không khí ẩm chưa bão hòa

là các ñường thẳng nghiêng ñi

lên

+ ðường ϕ=const trong

vùng không khí ẩm chưa bão hòa

ở nhiệt ñộ t<t s( )p là các

ñàờng cong lồi, trong vùng nhiệt

ñộ t > t s( )p là

ñường thẳng ñi lên

+ ðường ϕ=100% chia ñồ thị thành hai vùng phía trên là không khí ẩm chưa bão hòa, vùng phía dưới là không khí ẩm quá bão hòa

+ ðường phân áp suất hơi nước p h = const là ñường thẳng nghiêng ñi lên ñược dựng theo quan hệ (6-46), ñơn vị ño p h là mmHg

Trạng thái không khí ẩm ñược xác ñịnh khi biết hai trong các thông số i d t, , , ϕ

Khi ñã xác ñịnh ñược trạng thái của không khí ẩm trên ñồ thị i-d, ta có thể xác ñịnh ñược các thông số còn lại

2.5.2 Các quá trình của không khí ẩm

2.5.2.1.Quá trình sấy

Quá trình sấy là quá trình làm giảm ñộ ẩm của vật muốn sấy Môi chất dùng ñể sấy thường là không khí ẩm chưa bão hòa hoặc sản phẩm cháy của nhiên liệu, về