BÀI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC PHẦN I LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM 1 MỤC ĐÍCH Nghiên cứu xác định các thông số trạng thái của môi trường không khí ẩm xung quanh ta khi thay đổi nhiệt độ và hàm ẩm 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT a[.]
BÀI: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC PHẦN I : LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM MỤC ĐÍCH Nghiên cứu xác định thơng số trạng thái mơi trường khơng khí ẩm xung quanh ta thay đổi nhiệt độ hàm ẩm CƠ SỞ LÝ THUYẾT a Các khái niệm Khơng khí khơ mơi trường khí gồm 78% khí Nito, 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 : ρa =ρkk + ρ h=const 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 hòa nước 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: Pkk ρ =Rkk T kk Hơi nươc: Ph ρ =Rh T h 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) Khối lượng riêng khơng khí khơ biểu diễn phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất: ρkk = Mk 273 P , kg/m3 22,4 ( 273+t ) P0 Mk = 29 – khối lượng phân tử khơng khí T – nhiệt độ khơng khí, 0C (nhiệt độ bầu khô) P0 – áp suất không khí điều kiện tiêu chuẩn P – áp suất khơng khí điều kiện xét P Thơng thường khí quyển, xem P ≈ 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 b Trạng thái khơng khí ẩm: i Hàm ẩm khơng khí: dh ,kg/kg dh ,(kg/kg) khối lượng nước chứa kg khơng khí khơ d h= ρh , kg /kg ρ kk Rút ra: d h= Rkk φ Pb φ Pb =0,662 , kg /kg R h P a−φ Pb Pa −φ P b Pa – áp suất khí quyển, ( áp suất hỗn hợp khơng khí ẩm) φ – độ ẩm tương đối khơng khí, % Pb – áp suất bão hòa nhiệt độ cho khơng khí (T = 273 + t) ii Độ ẩm tương đối khơng khí φ (%) Khái niệm độ ẩm tuyệt đối: độ ẩm tuyệt đối không 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 không khí thể trạng thái bão hịa Ký hiệu: b , kg/m3 Độ ẩm tương đối khơng khí ẩm: mức độ bão hịa nước khơng khí điều kiện nhiệt độ áp suất cho: φ= ρh P h dh = = ,% ρb P b 0,622+d h Khi φ=1 khơng khí đạt trạng thái bão hòa nước Từ rút ra: Ph=φ Pb = Pa d h 0,622+ d h Khối lượng riêng khơng khí ẩm: k ,kg/m3 ρk =ρkk + ρh suy ra: ρk = 0,132 dh 349− , kg /m T 0,622+d h ( ) Hoặc ρk = ρ0T 0,378 φ Pb 1− , kg /m T Pa ( ) 0 , T0 – khối lượng riêng nhiệt độ khơng khí khơ điều kiện chuẩn iii Entanpi khơng khí ẩm : I , kJ/kg Là lượng nhiệt chứa 1kg khơng khí khơ điều kiện nhiệt độ áp suất xác định I k =I kk +d h I h , kJ /kg Ikk – entanpi khơng khí khơ, 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: 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 iv 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 hịa 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 φ khơng khí ẩm c Sự làm lạnh khơng khí ẩm: Nhiệt độ điểm sương ts, nhiệt độ rõ trạng thái hồn tồn bão hịa nước khơng khí (φ=1), tiếp tục làm lạnh đến tư < ts nước khơng khí ngưng tụ thành nước (giả sử có ngưng tụ hồn toàn) Lượng nước tách làm lạnh là: Gn = Gk (dhs – dhư) , kg Gn – khối lượng nước ngưng, kg Gk – khối lượng không khí làm lạnh, kg Dhs – hàm ẩm bão hịa khơng khí nhiệt độ điểm sương ts , kg/kg Dhư – hàm ẩm bão hịa 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 φ giảm, entanpi I tăng Lượng nhiệt cần để đốt nóng: Qđ = Gk (I2 – I1), kJ/h Hịa trộn bão hịa 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 Nh – khối lượng nước bão hịa khơ với nhiệt độ th cần hòa trộn, kg/h Gkk – khối lượng khơng khí khơ đem hịa trộn, kg/h Dh1 – hàm ẩm trạng thái khơng khí ẩm trước hịa trộn, kg/kg Dh2 – hàm ẩm trạng thái khơng khí ẩm sau hòa trộn, kg/kg Hòa trộn bão hòa ẩm: bão hịa ẩm đặc trưng độ khơ X độ ẩm (1-X) độ khô vào hàm ẩm khơng khí, cịn độ ẩm vào khơng khí dạng mù (sương) Lượng ẩm hịa trộn tính : N h=G kk ( d h 2−d h 1) X , kg /h Phần ẩm dạng sương mù khơng khí ẩm: Sh = ( 1− X ) N h , kg /kg G kk PHẦN II: THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM a Mơ tả sơ đồ Khơng khí nhờ quạt gió (có cửa điều chỉnh lưu lượng) thổi qua ống khí động 1, làm lạnh giàn lạnh 5, sau sấy nóng điện trở thiết bị sấy 6, sau làm ẩm vịi phun thổi ngồi Ở vị trí trước sau thiết bị nằm ống khí động có đặt nhiệt kế bầu khơ nhiệt kế bầu ướt để đo nhiệt độ độ ẩm khơng khí Phía dàn lạnh có đặt dụng cụ đo thể tích nhằm xác định lưu lượng nước ngưng tụ từ khơng khí bị làm lạnh SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 1) Bật nút công tắc tổng 2) Bật quạt thổi khí 2, điều chỉnh lưu lượng khơng khí cách đóng mở cửa gió cửa hút 3) Bật cơng tắc máy lạnh 4) Bật công tắc điện trở gia nhiệt tạo hơi, 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 dàn lạnh 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 nhiệt độ bầu ướt vị trí Dùng ống đong kế đo lưu lượng nước ngưng phía dàn lạnh (sau van 10) 7) Thay đổi chế độ hoạt động cách thay đổi vị trí cửa gió mở chế độ 1,5 m/s; 0,9 m/s PHẦN III: SỐ LIỆU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU KẾT QUẢ STT thí nghiệm I II Số lần đo Khơng khí ẩm mơi trường Khơng khí ẩm sau giàn lạnh Tốc Nhiệt độ độ Bầu Bầu v khô ướt (m/ s) Thể tích nước ngưn g (mL) Thời Nhiệt độ gian Bầu Bầu ngưng khơ ướt (s) Khơng khí Khơng khí ẩm sau gia ẩm sau làm nhiệt ẩm Nhiệt độ Nhiệt độ Bầu Bầu Bầu Bầu khô ướt khô ướt 1,5 32,1 29,5 41 60 20,9 18,0 47,9 30,4 48,1 34,8 1,5 32,8 29,8 41 60 20,0 17,7 47,7 30,6 48,2 35,3 1,5 33,4 30,6 40 60 18,3 14,8 47,4 31,2 46,8 34,7 0,9 33,1 30,8 - 60 14,3 12,1 68,5 39,7 46,3 34,8 0,9 33,4 31,0 - 60 12,5 11,4 72,0 62,5 53,6 39,0 0,9 33,5 31,2 - 60 18,2 13,3 83,0 81,9 59,0 44,7 XỬ LÝ SỐ LIỆU Tính giá trị trung bình số liệu thơ STT Khơng khí ẩm thí mơi trường nghiệm Khơng khí ẩm sau giàn lạnh Tốc Nhiệt độ Thể độ v Bầu Bầu tích (m/s) khô ướt nước ngưng (mL) I 1,5 II 0,9 Không khí Khơng khí ẩm sau gia ẩm sau nhiệt làm ẩm Thời Nhiệt độ Nhiệt độ Nhiệt độ gian Bầu Bầu Bầu Bầu Bầu Bầu ngưng khô ướt khô ướt khô ướt (s) 32,1 29,5 41,0 60 20,9 18,0 47,9 30,4 48,1 34,8 33,1 30,8 - 60 14,3 12,1 68,5 39,7 46,3 34,8 a Xác định thông số khơng khí: i Trạng thái khơng khí ẩm mơi trường (Điểm 1): Tốc độ v (m/s) Nhiệt độ Bầu khô 1,5 0,9 32,1 33,1 Bầu ướt 29,5 30,8 Độ ẩm Hàm ẩm Entanpi I Khối d (kg/kg) (kJ/kg) lượng (%) riêng (kg/m3) 83 0,0254 97,2 1,1567 85 0,0276 103,9 1,1536 ii Trạng thái khơng khí ẩm sau giàn lạnh (Điểm 2): Tốc độ v (m/s) Nhiệt độ Bầu khô 1,5 0,9 20,9 14,3 Bầu ướt 18,0 12,1 Độ ẩm Hàm ẩm Entanpi I Khối (%) d (kg/kg) (kJ/kg) lượng riêng (kg/m3) 76 0,0118 50,8 1,2014 75 0,0079 34,4 1,2289 iii Trạng thái khơng khí ẩm sau gia nhiệt (Điểm 3): Tốc độ v (m/s) Nhiệt độ Bầu khô Bầu ướt Độ ẩm Hàm ẩm Entanpi I Khối (%) d (kg/kg) (kJ/kg) lượng riêng 1,5 0,9 47,9 68,5 30,4 39,7 29 19 0,0204 0,0361 101,1 163,6 (kg/m3) 1,0297 1,0335 iv Trạng thái khơng khí ẩm sau làm ẩm (Điểm 4): Tốc độ v (m/s) Nhiệt độ Bầu khô 1,5 0,9 48,1 46,3 Bầu ướt 34,8 34,8 Độ ẩm Hàm ẩm Entanpi I Khối (%) d (kg/kg) (kJ/kg) lượng riêng (kg/m3) 42 0,0304 127,0 1,0996 47 0,0310 126,8 1,1058 b Xác định trạng thái khơng khí ẩm mơi trường qua ống khí động Trường hợp v = 1,5 m/s Từ ∆tư = tk – tư tìm độ ẩm φo Từ φo tk, tìm hàm ẩm dh → ρK Lưu lượng khối lượng khơng khí chuyển động ống khí động: G k =v F ρ k =1,5 x 0,0144 x 1,1567=0,024985 kg /s Lượng ẩm khơng khí ẩm: Gh=G k d h=0,0250 x 0,0254=0,0006 kg /s Lưu lượng khối lượng khơng khí khơ qua ống khí động: G kk =G k −G h =0,0250−0,0006=0,024 kg/ s Thực tính tốn cho trường hợp vận tốc lại ta thu bảng số liệu sau: Tốc độ v (m/s) Nhiệt độ bầu khô tk 1,5 0,9 32,1 33,1 Lưu lượng Lưu lượng khối lượng khối lượng không Lượng Khối lượng khơng khí khí chuyển ẩm riêng khơ qua động khơng khí (kg/m ) ống khí ống khí ẩm,Gh kg/s động Gkk, động,Gk, kg/s kg/s 1,1567 0,0250 0,0006 0,0244 1,1536 0,0250 0,0007 0,0243 c 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, với độ ẩm thấp nước Đo tk, tư, Vh nước ngưng, τh thời gian ngưng Trường hợp v = 1,5 m/s Lượng ẩm tách từ không khí: G h= V h 41 mL 0,683 x 3600 = =0,683 = =2,459 kg /h τ h 60 s 1000 Thực tính tốn cho trường hợp vận tốc lại ta thu bảng số liệu sau: Thể tích Tốc nước độ ngưng V, v,m/s ml Thời gian ngưng ,s Lượng ẩm tách từ khơng khí, Gh ml/s Lượng ẩm tách từ khơng khí, Gh kg/h 1,5 41 60 0,683 2,459 0,9 60 0 d Tính tốn dàn lạnh i Năng suất lạnh dàn lạnh Q0: Trường hợp v = 1,5 m/s Q 0=G k ( i 1−i )=0,0250× ( 97,2−50,8 )=1,16 KW Thực tính tốn cho trường hợp vận tốc cịn lại ta thu bảng số liệu sau: Lưu lượng khối lượng khơng Vận tốc v (m/ khí khơ s) chuyển động ống khí động Gk (kg/s) 1,5 0,0250 0,9 0,0250 Entanpi khơng khí vào dàn lạnh i1 (kJ/kg) Entanpi khơng khí dàn lạnh i2 (kJ/kg) Năng suất lạnh dàn lạnh Q0 (KW) 97,2 103,9 50,8 34,4 1,16 1.74 ii Lượng nước tách từ dàn lạnh theo tính tốn lý thuyết Gnước: Trường hợp v = 1,5 m/s G nước =3600 ×G k × ( d 1−d )=3600 × 0,0250× ( 0,0254−0,0118 )=1,224( kg ) h Thực tính tốn cho trường hợp vận tốc lại ta thu bảng số liệu sau: Lưu lượng khối lượng Lượng nước Độ chứa Độ chứa khơng khí lý thuyết Vận tốc v (m/ khơng khí khơng khí khô chuyển tách từ s) vào dàn lạnh dàn lạnh d2 động dàn lạnh d1 (kg/kg) (kg/kg) ống khí động Gnước (kg/h) Gk (kg/s) 1,5 0,0250 0,0254 0,0118 1,224 0,9 0,0250 0,0276 0,0079 1.773 iii Lượng nước thực tế tách từ dàn lạnh G’nước : Trường hợp v = 1,5 m/s G 'kk =G k −G 'nước =0,0250− G'nước = 0,148 =0,0249 kg /s 3600 0,06 ×V 0,06 × 41× 60 = =0,148 kg /h τ1 1000 Thực tính tốn cho trường hợp vận tốc lại ta thu bảng số liệu sau: Vận tốc v (m/s) 1,5 0,9 Lượng nước tách từ dàn lạnh V1 (mL) 41 Thời gian lấy mẫu đo lượng nước 1 (phút) 1 Lượng nước thực tế tách từ dàn lạnh G’nước (kg/h) 0,148 e Tính tốn thiết bị sấy khơng khí: i Phụ tải nhiệt thiết bị sấy khơng khí Q: Trường hợp v =1,5 m/s Q=G'kk ( i −i2 ) =0,0250 × ( 101,1−50,8 )=1,258 KW Thực tính tốn cho trường hợp vận tốc lại ta thu bảng số liệu sau: Vận tốc v (m/ s) 1,5 0,9 Lưu lượng khối lượng khơng khí khơ qua ống khí động G’kk, (kg/s) 0,0250 0,0250 Enthalpy Enthalpy Phụ tải nhiệt khơng khí khơng khí thiết bị vào thiết bị khỏi thiết bị sấy khơng khí sấy khơng khí sấy khơng khí Q (KW) i2 (kJ/kg) i3 (kJ/kg) 50,8 34,4 101,1 163,6 1,258 2,555 BIỆN 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 q trình làm lạnh : nhiệt độ giảm dần đến trạng thái bão hòa, trạng thái bão hòa nước bắt đầu ngưng tụ Độ ẩm tương đối tăng dần Trong giai đoạn sau trình làm lạnh : độ ẩm tương đối khơng khí khơng đổi 1, lúc khơng khí đạt trạng thái bão hòa Khi qua thiết bị sấy: Độ ẩm tuyệt đối d khơng khí khơng đổi cịn nhiệt độ khơng khí tăng dần Độ ẩm tương đối giảm dần Khi qua vịi phun hơi: thiết bị phun sương khơng hoạt theo yêu cầu vận hành nên trạng thái xác định chưa hồn tồn xác Độ ẩm tuyệt đối d khơng khí tăng lên khơng khí nhận thêm ẩm Enthalpy I tăng lên khơng khí nhận thêm nhiệt lượng từ nước bão hịa 2) Giải thích xác định độ ẩm khơng khí thơng qua nhiệt độ bầu khô nhiệt độ bầu ướt? Từ nhiệt độ tư gióng theo đường t = const, cắt đường = điểm A Từ A theo đường i = const cắt đường tk điểm B B trạng thái khơng khí xác định hai thông số tk tư Đường = const qua B cho biết độ ẩm tương đối khơng khí 3) So sánh trình làm lạnh, sấy nóng phun nước vào khơng khí ẩm đồ thị i-d lý thuyết thực tế Giải thích sai biệt đó? Khi qua dàn lạnh : thay đổi trạng thái khơng khí khơng giống so với lý thuyết Trạng thái khơng khí khơng phải bão hịa 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 : thay đổi trạng thái khơng khí khơng giống so với lý thuyết Q trình sấy nóng khơng phải diễn điều kiện độ ẩm tuyệt đối d không đổi lý thuyết mà d lại tăng dần Đó khơng khí sau khỏi thiết bị sấy nhận thêm ẩm từ môi trường xung quanh trước đến nhiệt kế bầu khô nhiệt kế bầu ướt Khi qua vòi phun nước: thay đổi trạng thái khơng khí giống với lý thuyết Do môi trường xung quanh không ảnh hưởng nhiều đến kết TRƯỜNG HỢP v = 1,5 m/s TRƯỜNG HỢP v = 0,9 m/s ... (kJ/kg) 50 ,8 34,4 101,1 163,6 1, 258 2 ,55 5 BIỆN 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 : nhiệt độ... động ống khí động: G k =v F ρ k =1 ,5 x 0,0144 x 1, 156 7=0,0249 85 kg /s Lượng ẩm khơng khí ẩm: Gh=G k d h=0,0 250 x 0,0 254 =0,0006 kg /s Lưu lượng khối lượng không khí khơ qua ống khí động: G kk... khơng khí khí chuyển ẩm riêng khơ qua động khơng khí (kg/m ) ống khí ống khí ẩm,Gh kg/s động Gkk, động, Gk, kg/s kg/s 1, 156 7 0,0 250 0,0006 0,0244 1, 153 6 0,0 250 0,0007 0,0243 c Xác định khả tách