Bài 5 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 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 2 1 Các khái niệm cơ bản Khô[.]
Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN Bài 5: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Mục đích Nghiên cứu xác định thơng số trạng thái mơi trường khơng khí ẩm xung quanh ta thay đổi nhiệt độ hàm ẩm 2.Cơ sở lý thuyết 2.1 Các khái niệm bản: 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 Vì mơi trường khơng khí xung quanh ta gọi khơng khí ẩm Theo định luật Dalton viết : ρa =ρkk + ρ h=const (1) 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 Entanpi - lượng nhiệt chứa khơng khí Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN Khơng khí ẩm tuân 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 nước: Ph ρ =Rh T h (2) kk – khối lượng riêng khơng khí khô, kg/m3 h – khối lượng riêng nước khơng khí, kg/m3 T – nhiệt độ khơng khí, K Rkk – số khí khơng khí khô,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 khô biểu diễn phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất: ρkk = Mk 273 P , kg/m 22,4 ( 273+t ) P0 (3) 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 P Thơng thường khí quyển, xem P ≈ Giá trị kk phụ thuộc vào nhiệt độ tra bảng tính sẵn tính theo cơng thức (3) Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN 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 d h= ρh , kg /kg ρ kk (4) Kết hợp (2) (4) ,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 hịa nhiệt độ cho khơng khí (T = 273 + t) 2.2.2 Độ ẩm tương đối không khí φ (%) 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 hòa 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: Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN φ= ρh P h dh = = ,% ρb P b 0,622+d h (6) Khi φ=1 khơng khí đạt trạng thái bão hịa nước Từ rút ra: Ph=φ Pb = Pa d h 0,622+ d h (7) Khối lượng riêng không khí ẩm: k ,kg/m3 ρk =ρkk + ρh Kết hợp với phương trình (2) rút biểu thức tính khối lượng riêng hỗn hợp khơng khí ẩm: ρk = 0,132 dh 349− , kg /m T 0,622+d h (8a) ρk = ρ0T 0,378 φ Pb 1− , kg /m T Pa (8b) ( ) 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 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 (9) Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN 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 (10) Entanpi Ik khơng khí ẩm tra theo bảng số tính sẵn xác định giản đồ khơng khí ẩm, tình theo công thức (10) 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 khô 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 2.3 Sự làm lạnh khơng khí ẩm: (11) Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN 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 (12) 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 φ 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 (13) 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 Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN 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 (14) , kg /h Phần ẩm dạng sương mù khơng khí ẩm: Sh= ( 1− X ) N h , kg /kg Gkk (15) Thiết bị thí nghiệm 3.1 Mơ hình thí nghiệm Sơ đồ ngun lý mơ hình thí nghiệm biểu diễn hình Nó ống khí động, 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 (có cửa điều chỉnh lưu lượng) thổi qua ống khí động, làm lạnh giàn lạnh, sau sấy nóng điện trở thiết bị sấy, sau làm ẩm vịi phun thổi ngồi Ở vị trí trước sau thiết bị nằm ống khí động có đặt nhiệt kế bầu khô bầu ướt để đo nhiệt độ độ ẩm khơng khí Phía dàn lạnh có gắn ống xả nước ngưng để đo thể tích nhằm xác định lưu lượng nước ngưng tụ từ không khí bị làm lạnh Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN 10 11 12 Hình 1: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nhiệt động lực học Ống khí động Vịi phun Quạt thổi khí Van cấp Nhiệt kế bầu khô Van ngã Nhiệt độ bầu ướt 10 Van xả nước ngưng Dàn lạnh 11 Nồi tạo Điện trở sấy nóng khơng khí 12 Bình chứa Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN Phương pháp thí nghiệm 4.1 Xác định trạng thái khơng khí - Nhiệt độ khơng khí vị trí trước sau dàn lạnh, trước sau thiết bị sấy nóng khơng khí, trước vịi phun sau dàn phun Từ số liệu đo được, xác định độ ẩm vị trí vẽ q trình thay đổi trạng thái khơng khí giản đồ i-d sở xác định enthalpy độ chứa khơng khí vị trí nói - Đo thể tích nước ngưng khỏi dàn lạnh xác định lưu lượng thể tích nước ngưng 4.2 Tính tốn cân nhiệt ống khí động - Xác định lưu lượng gió thổi qua ống, xác định suất lạnh dàn lạnh phụ tải thiết bị sấy Quy trình vận hành 1) Bật công tắc tổng 2) Bật quạt thổi khí 2, điều chỉnh lưu lượng khơng khí cách đóng/ mở cửa gió cửa hút 3) Bật công tắc máy lạnh 4) Bật công tắc điện trở gia nhiệt nồi 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 tụ dàn lạnh có bình chứa 12, mở van 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 để đo lưu lượng nước ngưng phía dàn lạnh 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 vị trí cửa gió, tăng giảm điện trở, tăng giảm phun vào Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN Kết Bảng 1: Kết đo thông số: ST T TN I (v max) II (v min) ố Trạng thái ẩm môi trường S (Điểm 1) l Nhiệt ần ốc độ đo độ B B v ầu ầu m/s khô ướt 2.1 9.5 2 2.8 9.8 3 3.4 0.6 3 3.1 0.8 3 3.4 1.0 3 3.5 1.2 T Trạng thái ẩm sau sấy nóng (Điểm 3) Trạng thái ẩm sau dàn lạnh (Điểm 2) Nhiệt Th Th Nhiệt độ độ ể tích ời nước gian B B Bầ Bầ ngưn ngưn ầu ầu u khô u ướt g g (s) khô ướt 47 30 41 0.9 8.0 47 30 41 0.0 7.7 1 47 31 40 8.3 4.8 60 1 68 39 4.3 2.1 1 72 62 2.5 1.4 1 83 81 8.2 3.3 Trạng thái ẩm sau phun sương (Điểm 4) Nhiệt độ Bầ u khô Bầu ướt 48 48 46 46 53 59 34 35 34 34 39 44 Bảng Các đại lượng đặc trưng trạng thái khơng khí ẩm -Khi vmax = 1.5m/s, tính lần đo Các đại lượng Nhiệt độ Độ ẩm Ký hiệu Đơn vị tính 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) tk ℃ 32.1 20.9 47.9 48.1 tư ℃ 29.5 18.0 30.4 34.8 φ % 85 76 30 41 Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN Hàm ẩm d kg/ kg 0.025 0.012 0.021 0.029 Entalpi I kj/kg 96.3 50.2 102.6 121.4 Khối lượng riêng ρ kg/ m3 1.157 1.179 1.102 1.1 -Khi vmin = 0.9m/s, tính lần đo Các đại lượng Ký hiệu Đơn vị tính 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) tk ℃ 33.1 14.3 68.5 46.3 tư ℃ 30.8 12.1 39.7 34.8 Độ ẩm φ % 85 75 18 47 Hàm ẩm d kg/ kg 0.027 0.007 0.036 0.031 Entalpi I kj/kg 103.8 32.7 163.3 128 Khối lượng riêng ρ kg/ m3 1.154 1.207 1.034 1.105 Nhiệt độ Tính tốn 7.1 Xác định trạng thái ẩm môi trường qua ống khí động: -Tính tốn cho trường hợp v = 1.5 m/s, trường hợp sau ta thực tương tự * Lưu lượng khối lượng G k (kg/s) không khí chuyển động ống khí động: Gk = vF ρk Trong đó: v: vận tốc gió đo đầu ống khí động (m/s) F= 0.0144 m2 : diện tích miệng ống khí động Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN ρk : khối lượng riêng khơng khí ẩm (kg/m3) => Gk = 1.5×0.0144×1.157= 0.025 (kg/s) *Khối lượng lưu lượng khơng khí khơ qua ống khí động: Gkk = Gk - Gh Gh : lượng ẩm khơng khí Vh Gh = τ h Trong đó: V h: thể tích nước ngưng τ h: thời gian ngưng 7.2 Xác định khả tách ẩm từ khơng khí: Gh = 0.041 = 6.83×10−4 (kg/s) 60 Gkk = 0.025 - 6.83×10-4 = 0.024 (kg/s) 7.3 Tính toán dàn lạnh a) Năng suất lạnh dàn lạnh Q0 Q0 = Gk (i 1−i ¿ Trong đó: Gk: lưu lượng khối lượng khơng khí khơ chuyển động ống khí động, (kg/s) i , i : enthalpy khơng khí vào khỏi dàn lạnh, kj/kg Q0 = 0.025×(96.3-50.2) = 1.1525 Kw b) Lượng nước tách từ dàn lạnh theo tính tốn lý thuyết Gnước Gnước = 3600×Gkk (d 2−d 1) ; kg/h Trong đó:d d 1: độ chứa khơng khí vào khỏi dàn lạnh (kg/kg) Gnước =3600 ×0.024×(0.025-0.012) = 1.1232 (kg/h) c) Lượng nước thực tế tách từ dàn lạnh G'nước Môn: Thí nghiệm QT & TBCN G'nước = 0.06 V τ1 = 0.06 ×41 = 2.46 kg/h Trong đó: V h: mẫu đo lượng nước tách từ dàn lạnh, ml τ h: thời gian ngưng, phút 7.4 Tính tốn thiết bị sấy khơng khí a) Phụ tải nhiệt thiết bị sấy khơng khí Q Q = Gk (i 3−i ¿ Trong đó: i i : enthalpy khơng khí vào khỏi thiết bị sấy, kj/kg Q=¿- 2.46)× (102.6 - 50.2) = 4587.096 kj = 1.2741 kW h I E E’ A B φ=1 C d Hình 2: Giản đồ biểu diễn thay đổi trạng thái khơng khí qua ống khí động theo lý thuyết I E B φ=1 Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN A E’ C Hình 3: Giản đồ biểu diễn thay đổi trạng thái khơng khí qua ống khí động theo thực nghiệm Bàn luận: Sự thay đổi trạng thái khơng khí qua ống khí động dựa thay đổi độ ẩm khơng khí: Khi qua dàn lạnh: thay đổi trạng thái không khí biểu diễn đoạn thẳng AB BC Trong giai đoạn đầu trình làm lạnh (AB): độ ẩm tuyệt đối d không khí không đổi (do hàm lượng nước không đổi) nhiệt độ không khí giảm dần xuống đến nhiệt độ điểm sương Độ ẩm tương đối tăng dần đến trạng thái bão hòa = Tại nhiệt độ điểm sương B, ứng với trạng thái bão hòa, nước bắt đầu ngưng tụ - Trong giai đoạn sau trình làm lạnh (BC): độ ẩm tương đối không khí không đổi 1, lúc không khí đạt trạng thái bão hòa Do tiếp tục làm lạnh nên nhiệt độ không khí tiếp tục giảm Độ ẩm tuyệt đối d không khí giảm có nước ngưng tụ làm giảm hàm lượng nước không khí ẩm Khi qua thiết bị sấy: thay đổi trạng thái không khí biểu diễn đoạn thẳng CD Độ ẩm tuyệt đối d không khí không đổi (do hàm lượng nước không - đổi) nhiệt độ không khí tăng dần Độ ẩm tương đối giảm dần Khi qua vòi phun hơi: thay đổi trạng thái không khí biểu diễn đoạn thẳng nằm khoảng DE DE’ Mơn: Thí nghiệm QT & TBCN - - Nếu sử dụng nước bão hòa: thay đổi trạng thái không khí biểu diễn đoạn DE Độ ẩm tuyệt đối d không khí tăng lên không khí nhận thêm ẩm Enthalpy i tăng lên không khí nhận thêm nhiệt lượng từ nước bão hòa Nếu sử dụng nhiệt: thay đổi trạng thái không khí biểu diễn đoạn thẳng nằm DE DE’ Hơi nước nhiệt đoạn thẳng gần DE’ Độ ẩm tuyệt đối d không khí tăng lên không khí nhận thêm ẩm Enthalpy i tăng lên không khí nhận thêm nhiệt lượng từ nước nhiệt, độ tăng nhỏ so với sử dụng nước bão hòa Có thể xác định độ ẩm khơng khí thơng qua nhiệt độ bầu khơ bầu ướt: i