Báo cáo thí nghiệm bài số 5 nhiệt động lực học

Mơn: Thí nghiệm q trình thiết bị học – Sáng thứ BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI SỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC I MỤC ĐÍCH Nghiên cứu xác định thông số trạng thái môi trường khơng khí ẩm xung quanh ta thay đổi nhiệt độ hàm ẩm II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các khái niệm Khơng khí khơ mơi trường khí gồm 78% khí Nitơ, 21% khí oxy 1% khí trơ theo thể tích Khơng khí xem khí lý tưởng Nước bay vào mơi trường khơng khí tồn dạng với khơng khí khơ tạo thành hỗn hợp khơng khí ẩm mơi trường khơng khí xung quanh ta đượ gọi khơng khí ẩm theo định luật Dalton viết : Trong đó: pa – áp suất khí quyền, có giá trị at pkk – áp suất riêng phần khơng khí khơng khí ẩm ph – áp suất riêng phần nước khơng khí ẩm Khơng khí ẩm thể nhiều thơng số, có thơng số trạng thái quan trọng:     Nhiệt độ - trạng thái đốt nóng khơng khí gọi nhiệt độ bầu khô Hàm ẩm – lượng nước chứa khơng khí Độ ẩm – mức độ bão hịa nước khơng khí Enthalpy – lượng nhiệt chứa khơng khí Khơng khí ẩm tn theo định luật khí lý tưởng Khơng khí ẩm điều kiện đẳng nhiệt thể trạng thái: Khơng khí khơ: Hơi nươc: kk – khối lượng riêng khơng khí khơ, kg/m3 h – khối lượng riêng nước khơng khí, kg/m3 T – nhiệt độ khơng khí, K Rkk – số khí khơng khí khơ, J/kg.K (Rkk  287,14 J/kg.K) Rh – số khí nước, J/kg.K (Rh = 461,51 J/kg.K) Mơn: Thí nghiệm trình thiết bị học – Sáng thứ Khối lượng riêng khơng khí khơ biểu diễn phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất: Mk = 29 – khối lượng phân tử khơng khí t – nhiệt độ khơng khí, 0C (nhiệt độ bầu khơ) p0 – áp suất khơng khí điều kiện tiêu chuẩn p – áp suất khơng khí điều kiện xét Thơng thường khí quyển, xem Giá trị kk phụ thuộc vào nhiệt độ tra bảng tính sẵn tính theo công thức Khối lượng riêng nước h phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất tra giản đồ bảng tính sẵn 2.2 Trạng thái khơng khí ẩm: 2.2.1 Hàm ẩm khơng khí: dh ,kg/kg dh ,(kg/kg) khối lượng nước chứa kg khơng khí khơ Rút ra: pa – áp suất khí quyển, ( áp suất hỗn hợp khơng khí ẩm) – độ ẩm tương đối khơng khí, % pb – áp suất bão hịa nhiệt độ cho khơng khí (T = 273 + t) 2.2.2 Độ ẩm tương đối khơng khí Khái niệm độ ẩm tuyệt đối: độ ẩm tuyệt đối khơng khí ẩm khối lượng nước chứa m3 khơng khí ẩm ký hiệu : h , kg/m3 Theo định nghĩa độ ẩm tuyệt đối khối lượng riêng nước khơng khí Khái niệm trạng thái bão hòa nước: điều kiện nhiệt độ áp suất xác định, khối lượng nước tối đa chứa m3 khơng khí thể trạng thái bão hịa Ký hiệu: b , kg/m3 Mơn: Thí nghiệm trình thiết bị học – Sáng thứ Độ ẩm tương đối khơng khí ẩm: mức độ bão hịa nước khơng khí điều kiện nhiệt độ áp suất cho: Khi khơng khí đạt trạng thái bão hịa nước Từ rút ra: Khối lượng riêng không khí ẩm: k ,kg/m3 suy ra: Hoặc 0 , T0 – khối lượng riêng nhiệt độ khơng khí khơ điều kiện chuẩn 2.2.3 Entanpi khơng khí ẩm : I , kJ/kg Là lượng nhiệt chứa 1kg khơng khí khơ điều kiện nhiệt độ áp suất xác định Ikk – entanpi khơng khí khô, Ikk = Ck.t Ib – entanpi nước, Ih = L(0) + Ch.t L(0) - ẩn nhiệt bay nước 00C Ch – nhiệt dung riêng nước nhiệt độ áp suất xét, kJ/kg.K Ck – nhiệt dung riêng khơng khí khơ, kJ/kg.K Có thể xem : L(0) = 2500 kJ/kg Ch = kJ/kg.K Ck = 1,84 kJ/kg.K Và có cơng thức xác định entanpi khơng khí ẩm: Mơn: Thí nghiệm q trình thiết bị học – Sáng thứ Ik = t + (2500 +1,84.t)dh , kJ/kg Entanpi Ik khơng khí ẩm tra theo bảng số tính sẵn xác định giản đồ khơng khí ẩm, tình theo cơng thức 2.2.4 Nhiệt độ: Nhiệt độ bầu khô: mức độ đốt nóng khơng khí t (0C) , t(K) Nhiệt độ bầu ướt: tư nhiệt độ tương ứng với trạng thái xác định khơng khí, rõ khả cấp nhiệt khơng khí để làm bay nước bão hòa nước khơng khí Hiệu số nhiệt độ bầu khơ nhiệt độ bầu ướt đặc trưng cho bay nước vào mơi trường khơng khí: t = t – tư Dựa theo t suy độ ẩm tương đối 2.3 khơng khí ẩm Sự làm lạnh khơng khí ẩm: Nhiệt độ điểm sương ts nhiệt độ rõ trạng thái hồn tồn bão hịa nước khơng khí ( ), tiếp tục làm lạnh đến tư < ts nước khơng khí ngưng tụ thành nước (giả sử có ngưng tụ hoàn toàn) Lượng nước tách làm lạnh là: Gn = Gk (dhs – dhư) , kg Gn – khối lượng nước ngưng, kg Gk – khối lượng khơng khí làm lạnh, kg Dhs – hàm ẩm bão hịa khơng khí nhiệt độ điểm sương ts , kg/kg Dhư – hàm ẩm bão hòa khơng khí nhiệt độ bầu ướt tư , kg/kg Nhiệt lượng để làm lạnh khơng khí: Q1 = Qk (I0 – I1) Đốt nóng khơng khí ẩm gián tiếp (khơng có gia tăng hàm ẩm) nhiệt độ khơng khí tăng cịn hàm ẩm dh = const nhiệt độ tăng khối lượng riêng bão hòa b tăng, tức khả chứa khơng khí tăng, hàm ẩm khơng khí giảm, entanpi I tăng Lượng nhiệt cần để đốt nóng: Qđ = Gk (I2 – I1), kJ/h Hòa trộn bão hòa khơ: lượng nước bão hịa khơ có nhiệt độ xác định th hịa trộn với khơng khí, xác định: Nh = Gkk (dh2 – dh1) , kg/h Mơn: Thí nghiệm q trình thiết bị học – Sáng thứ Nh – khối lượng nước bão hịa khơ với nhiệt độ th cần hịa trộn, kg/h Gkk – khối lượng khơng khí khơ đem hịa trộn, kg/h Dh1 – hàm ẩm trạng thái không khí ẩm trước hịa trộn, kg/kg Dh2 – hàm ẩm trạng thái khơng khí ẩm sau hịa trộn, kg/kg Hòa trộn bão hòa ẩm: bão hòa ẩm đặc trưng độ khô X độ ẩm (1-X) độ khơ vào hàm ẩm khơng khí, cịn độ ẩm vào khơng khí dạng mù (sương) Lượng ẩm hịa trộn tính : Phần ẩm dạng sương mù khơng khí ẩm: III THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1 Mơ hình thí nghiệm Sơ đồ ngun lý mơ hình thí nghiệm biểu diễn hình sau Nó ống khí động, đó, khơng khí thổi qua từ đầu đến đầu ống làm lạnh dàn bốc máy lạnh, sấy nóng điện trở làm ẩm cách phun nước từ bình tạo 3.2 Mơ tả sơ đồ Khơng khí nhờ quạt gió (2) có cửa điều chỉnh lưu lượng thổi qua ống khí động (1), ống khơng khí làm lạnh giàn lạnh (5), sau sấy nóng điện trở (6), sau làm ẩm vịi phun (7) thổi Ở vị trí trước sau thiết bị nằm ống khí động có đặt nhiệt kế bầu khơ (3) nhiệt kế bầu ướt (4) để đo nhiệt độ giai đoạn có thay đổi Tại đầu ống khí động có đặt đồng hồ đo vận tốc gió để xác định lưu lượng gió thổi qua ống Phía dàn lạnh (5) có đặt dụng cụ đo thể tích nhằm xác định lưu lượng nước ngưng tụ từ khơng khí bị làm lạnh Mơn: Thí nghiệm trình thiết bị học – Sáng thứ IV PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Trong thí nghiệm này, sinh viên phải thực công việc sau: 1) Xác định trạng thái khơng khí bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm khơng khí vị trí trước dàn lạnh (5) (cũng trạng thái khơng khí mơi trường xung quanh), trước thiệt bị sấy nóng khơng khí (6) (sau dàn lạnh 5), trước vòi phun (7) sau dàn phun (thải trời) Từ số liệu đo được, sinh viên phải vẽ trình thay đổi trạng thái khơng khí giản đồ i-d sở sinh viên xác định enthalpy độ chứa khơng khí vị trí nói 2) Tính tốn cân nhiệt ống khí động bao gồm cơng việc như: xác định lưu lượng gió thổi qua ống, xác định suất lạnh dàn lạnh phụ tải nhiệt thiết bị sấy V QUY TRÌNH VẬN HÀNH 1) Bật nút cơng tắc tổng 2) Bật quạt thổi khí (2) điều chỉnh lưu lượng khơng khí vào cách đóng/ mở cửa hút 3) Bật cơng tắc máy lạnh Mơn: Thí nghiệm trình thiết bị học – Sáng thứ 4) Bật công tắc điện trở gia nhiệt nồi tạo (11), lúc van để vị trí cho dịng thơng bình chứa (12) 5) Bật nút điều khiển điện trở sấy nóng khơng khí 6) Theo dõi có nước ngưng tụ dàn lạnh (5) có bình chứa (12), mở van 8, để hệ thống chạy khoảng phút nhằm đạt độ ổn định Lần lượt đo nhiệt độ bầu khô (3), nhiệt độ bầu ướt (4) vị trí Dùng ống đong để đo thể tích nước ngưng tụ sau van 10 khoảng thời gian phút 7) Bật công tắc điện trở cho nhiệt Để hệ thống tiếp tục chạy khoảng phút nhằm đạt độ ổn định tiến hành đo 8) Thay đổi chế độ hoạt động khác cách thay đổi độ đóng/ mở cửa hút gió vào tăng - giảm điện trở, tăng – giảm lượng phun vào VI PHÚC TRÌNH 6.1 Kết Bảng 1: Kết đo thông số Trạng thái khơng khí ẩm mơi trường (điểm 1) Số thứ tự thí nghiệm Số đo Thể Nhiệt độ Thời Tốc tích gian độ v nước ngưng (m/s) ngưng Bầu Bầu (s) Bầu Bầu (mL) khô ướt khô ướt Nhiệt độ I Trạng thái sau dàn lạnh (điểm 2) 1.5 Trạng thái sau gia nhiệt (điểm 3) Trạng thái sau cấp ẩm (điểm 4) Nhiệt độ Nhiệt độ Bầu khô Bầu ướt Bầu khô Bầu ướt 32.1 29.5 41 20.9 18.0 47.9 30.4 48.1 34.8 32.8 29.8 41 20.0 17.7 47.7 30.6 48.2 35.3 33.4 30.6 40 18.3 14.8 47.4 31.2 46.8 34.7 14.3 12.1 68.5 39.7 46.3 34.8 12.5 11.4 72.0 62.5 53.6 39.0 18.2 13.3 83.0 81.9 59.0 44.7 60 II 33.1 30.8 0.9 33.4 31 33.5 31.2 Rất Mơn: Thí nghiệm q trình thiết bị học – Sáng thứ Bảng 2: Các đại lượng đặc trưng khơng khí ẩm STT I II STT I II Các đại lượng Ký hiệu Đơn vị tính Nhiệt độ tk ⁰CC 32.1 32.8 33.4 20.9 20.0 18.3 Độ ẩm φ % 82.7 80.4 81.8 75.8 80.2 69.2 Hàm ẩm d kg/kg 0.025 0.025 0.027 0.011 0.012 0.009 Enthalpy Ι kJ/kg 96.95 98.47 102.69 50.78 49.87 41.4 Khối lượng riêng ρ kg/m3 1.157 1.155 1.148 1.165 Nhiệt độ tk ⁰CC 33.1 33.4 33.5 14.3 12.5 18.2 Độ ẩm φ % 84.8 84.3 84.9 77.8 88.0 57.7 Hàm ẩm d kg/kg 0.028 0.028 0.028 0.008 0.008 0.007 Enthalpy Ι kJ/kg 103.79 104,87 105.98 34.31 32.60 37.31 Khối lượng riêng ρ kg/m3 1,154 1.152 1.152 Các đại lượng Ký hiệu Đơn vị tính Nhiệt độ tk Độ ẩm Khơng khí mơi trường (điểm 1) Khơng khí sau tách ẩm (điểm 2) Khơng khí sau gia nhiệt (điểm 3) Khơng khí sau làm ẩm (điểm 4) ⁰CC 47.9 47.7 47.4 48.1 48.2 46.8 φ % 28.0 29.9 32.3 41.9 43.3 45.2 Hàm ẩm d kg/kg 0.020 0.021 0.022 0.032 0.032 0.031 Enthalpy Ι kJ/kg 100.82 101.90 105.20 126.82 130.13 126.25 Khối lượng riêng ρ kg/m3 1.100 1.101 1.102 1.100 1.100 1.104 Nhiệt độ tk ⁰CC 68.5 72.0 83.0 46.3 53.6 59.0 Độ ẩm φ % 18.6 64.2 95.6 47.1 41.2 44.9 Hàm ẩm d kg/kg 0.035 0.171 0.031 0.039 0.057 Enthalpy Ι kJ/kg 161.41 522.25 1765.08 126.93 156.82 208.82 1.034 1.106 1.081 1.063 ρ Khối lượng riêng kg/m 1.023 0.633 Mơn: Thí nghiệm q trình thiết bị học – Sáng thứ Xác định cho vận tốc 1,5 m/s, lần đo Xác định cho vận tốc 0,9 m/s, lần đo Mơn: Thí nghiệm q trình thiết bị học – Sáng thứ VI.2 Tính tốn VI.2.1 Xác định thơng số khơng khí Theo giản đồ i-d vào nhiệt độ bầu khô nhiệt độ bầu ướt, xác định độ ẩm tương đối φ (%), enthalpy I (kJ/kg) độ chứa d (kg/kg) khơng khí điểm trình bày bảng Sau đó, vẽ q trình biến đổi trạng thái khơng khí giản đồ i-d (Đính kèm) VI.2.2 Xác định trạng thái khơng khí ẩm mơi trường qua ống khí động Lưu lượng khối lượng Gk (kg/s) khơng khí chuyển động ống khí động xác định sau: Gk =v.F.ρk Tính cho giá trị có v= 1.5m/s; lần đo Mơn: Thí nghiệm q trình thiết bị học – Sáng thứ VI.2.3 Xác định khả tách ẩm từ khơng khí Làm lạnh khơng khí đến nhiệt độ điểm sương, ẩm ngưng tụ thành nước khơng khí trở nên khơ hơn, độ ẩm thấp trước Có: V thể tích nước ngưng tụ (bảng 1); t= 60s VI.2.4 Tính tốn dàn lạnh a) Năng suất lạnh dàn lạnh Qo b) Lượng nước tách từ dàn lạnh theo tính tốn lý thuyết Gnước c) Lượng nước thực tế tách từ dàn lạnh G’nước VI.2.5 Tính tốn thiết bị sấy khơng khí a) Phụ tải nhiệt thiết bị sấy khơng khí Q VI.3 BÀN LUẬN 1) Giải thích thay đổi trạng thái khơng khí qua ống khí động dựa thay đổi độ ẩm khơng khí  Trong giai đoạn đầu trình làm lạnh: độ chứa d khơng khí khơng đổi (do lượng nước khơng đổi), nhiệt độ khơng khí giảm dần đến nhiệt độ điểm sương độ ẩm tương đối tăng dần đến trạng thái bão hịa Mơn: Thí nghiệm q trình thiết bị học – Sáng thứ  Giai đoạn sạu dàn lạnh: Do khơng khí trạng thái bão hịa nên φ=1 Vì làm lạnh nên nhiệt độ giảm, d giảm lượng nước ngưng tụ từ trình  Qua thiết bị sấy: d khơng đổi lượng nước tính theo lượng khơng khí khơ giai đoạn không đổi, nhiệt độ rang trình sấy nóng làm tăng nhiệt  Giai đoạn cấp ẩm: Sử dụng q nhiệt phun vào khơng khí Độ chứa d khơng khí tăng lên ( cấp nước vào khơng khí nên) enthalpy I tăng nhiệt lượng từ nước nóng cấp vào 2) Giải thích xác định độ ẩm khơng khí thơng qua nhiệt độ bầu khô nhiệt độ bầu ướt Với nhiệt độ bầu ướt ứng với độ ẩm φ=1, ta xác định điểm A Từ A, vẽ đường đẳng enthalpy (vẽ đường song song với đường xiên enthalpy) cho đường cắt đường nhiệt độ bầu khô giá trị - giá trị B B điểm khảo sát Từ B kẻ: Thẳng đứng để xác định hàm ẩm d Cong theo đường cong φ để xác định độ ẩm điểm khảo sát Kéo dài đoạn AB để thu kết enthalpy 3) So sánh q trình làm lạnh, sấy nóng phun nước vào khơng khí ẩm đồ thị i-d lý thuyết thực tế Giải thích sai biệt Ở q trình làm lạnh, sấy nóng cấp ẩm thực tế có thay đổi nhiều so với lý thuyết: Khi qua dàn lạnh: Tại vị trí cuối q trình làm lạnh, trạng thái khơng khí khơng phải bão hòa lý thuyết mà trạng thái chưa bão hịa Đó khơng khí khỏi dàn lạnh nhận thêm nhiệt lượng từ môi trường xung quanh trước đến nhiệt kế bầu khô nhiệt kế bầu ướt Khi qua thiết bị sấy: Độ ẩm thời điểm sấy nóng giảm đáng kể lượng nước khơng khí giảm, hàm ẩm tăng lên so với lý thuyết Điều chứng tỏ thực tế lượng khơng khí khảo sát cịn có thêm lượng ẩm từ khơng khí bên ngồi cấp vào Khi qua vịi phun cấp ẩm: Các thơng số khơng có chênh lệch nhiều so với lý thuyết, chứng tỏ môi trường xung quanh không ảnh hưởng nhiều đến lượng khơng khí khảo sát  ... kg/kg 0.0 25 0.0 25 0.027 0.011 0.012 0.009 Enthalpy Ι kJ/kg 96. 95 98.47 102.69 50 .78 49.87 41.4 Khối lượng riêng ρ kg/m3 1. 157 1. 155 1.148 1.1 65 Nhiệt độ tk ⁰CC 33.1 33.4 33 .5 14.3 12 .5 18.2 Độ... 35. 3 33.4 30.6 40 18.3 14.8 47.4 31.2 46.8 34.7 14.3 12.1 68 .5 39.7 46.3 34.8 12 .5 11.4 72.0 62 .5 53.6 39.0 18.2 13.3 83.0 81.9 59 .0 44.7 60 II 33.1 30.8 0.9 33.4 31 33 .5 31.2 Rất Mơn: Thí nghiệm. .. kg/kg 0.0 35 0.171 0.031 0.039 0. 057 Enthalpy Ι kJ/kg 161.41 52 2. 25 17 65. 08 126.93 156 .82 208.82 1.034 1.106 1.081 1.063 ρ Khối lượng riêng kg/m 1.023 0.633 Mơn: Thí nghiệm q trình thiết bị học –