4/13/2018 1 Chap05 Mass & Energy Analysis of Control Volume (Bảo toàn năng lượng hệ hở) Presented by PGS Lê Văn Điểm Lesson Objectives • Develop the conservation of mass principle • Apply the conserva[.]
4/13/2018 Chap05: Mass & Energy Analysis of Control Volume (Bảo toàn lượng hệ hở) Presented by PGS Lê Văn Điểm Lesson: Objectives • Develop the conservation of mass principle • Apply the conservation of mass principle to various systems including steady- and unsteadyflow control volumes • Apply the first law of thermodynamics as the statement of the conservation of energy principle to control volumes • Identify the energy carried by a fluid stream crossing a control surface • Solve energy balance probems for common steady-flow devices such as nozzles, compressors, turbines, throttling valves, mixers, heaters, and heat exchangers • Apply the energy balance to general unsteadyflow processes with particular emphasis on the uniform-flow process as the model for commonly encountered charging and discharging processes • Nhắc lại nguyên lý bảo tồn khối lượng • Áp dụng ngun lý bảo tồn khối lượng cho hệ (ổn định khơng ổn định) • Áp dụng ngun lý bảo tồn lượng cho hệ hở • Nhận dạng lượng dịng chảy truyền qua biên hệ • Giải tốn cân lượng cho hệ có dịng chảy ổn định (ống phun, máy nén, tuabin, van tiết lưu, hịa trộn, thiết bị trao đổi nhiệt) • Áp dụng toán cân lượng cho số hệ không ổn định thường gặp (nạp xả môi chất) 4/13/2018 5.1: Nguyên lý bảo toàn vật chất (Mass conservation) • Conservation of mass: Mass, like energy, is a conserved property, and it cannot be created or destroyed during a process • Closed systems: The mass of the system remain constant during a process • Control volumes: Mass can cross the boundaries, and so we must keep track of the amount of mass entering and leaving the control volume • Bảo tồn khối lượng: Vật chất khơng bị hay sinh q trình, biến đổi • Hệ kín: Lượng vật chất hệ số • Hệ hở: Vật chất qua biên hệ Cần phải xác định kiểm soát lượng vật chất truyền qua biên hệ Lưu lượng khối lượng dịng chảy • Lưu lượng khối lượng (Mass flow rate): ρ: khối lượng riêng (kg/m3) V: Vận tốc pháp tuyến (m/s) A: Diện tích thiết diện (m2) • Vận tốc trung bình: 4/13/2018 Lưu lượng thể tích dịng chảy • Lưu lượng thể tích (Volume flow rate): • Quan hệ Mass flow Volume flow: ρ: khối lượng riêng (kg/m3) V: Vận tốc pháp tuyến (m/s) A: Diện tích thiết diện (m2) ν: Thể tích riêng (m3/kg) : Thể tích (m3) Nguyên lý bảo tồn khối lượng (Mass Conservation/Mass Balance) • Hiệu số lượng vật chất vào HT khỏi hệ thống khối lượng thay đổi hệ: 4/13/2018 Nguyên lý bảo tồn khối lượng (Mass Conservation/Mass Balance) • Tổng lượng vật chất hệ thống (kg): • Tốc độ thay đổi lượng vật chất (kg/s): • Tốc độ thay đổi lượng vật chất = Hiệu tốc độ dòng chảy vào ra: Bảo toàn khối lượng hệ hở ổn định (steady flow) • Dịng chảy ổn định: ▫ Khối lượng hệ không đổi: m = const, ▫ Lưu lượng khối lượng vào = • Single stream (đơn dòng): ρ: khối lượng riêng (kg/m3) V: Vận tốc dòng (pháp tuyến) (m/s) A: Diện tích thiết diện (m2) 4/13/2018 Một số ví dụ thiết bị có steady flow • Ống phun (Nozzle): Là thiết bị để tăng tốc dịng (vịi cứu hỏa, tuabin); • Ống khuếch tán (Diffuser): Là thiết bị giảm tốc dòng (cửa đẩy bơm ly tâm, máy nén); • Van tiết lưu (Throttling): Giảm lưu lượng, hạ nhiệt độ (trong máy lạnh); • Buồng hịa trộn; • Thiết bị trao đổi nhiệt P1 Dịng chất lỏng khơng nén (incompressible fluid) • Lưu chất (chất lưu động được): Fluid = Liquid + Gas; ▫ Lưu chất khơng nén được: Incompressible Fluids (Liquids, ví dụ: Nước thể lỏng); ▫ Lưu chất nén được: Compressible Fluids (Gases, ví dụ: Khơng khí) • Dịng chảy ổn định chất lỏng: ρ = const Lưu lượng thể tích dịng vào Note: Khơng có ngun lý bảo tồn thể tích Slide 10 P1 Prof.Diem; 02/04/2018 4/13/2018 Ví dụ: Vịi phun (Nozzle) Vịi phun vườn có đường kính cửa vào 2cm, cửa 0,8cm Mất 50s để điền đầy xơ nước 20 lít a Xác định lưu lượng thể tích, lưu lượng khối lượng dịng chảy b Xác định vận tốc trung bình dòng nước cửa và cửa vòi phun Solution: - Lưu lượng thể tích: - Lưu lượng khối lượng: - Tốc độ dòng vào/ra: V(in/out) = / 5.2: Công lưu động (Flow work) lượng dịng • Tưởng tượng piston đẩy dịng chảy (tác động lực F lên diện tích A, đẩy khối chất lỏng dịch chuyển khoảng cách L): • Định nghĩa: Công lưu động công (năng lượng) cần thiết để đẩy dòng chuyển động 4/13/2018 Năng lượng tổng dịng chảy • Năng lượng tổng hệ: • Năng lượng dòng chảy (thêm phần lượng đẩy dòng chuyển động Pv) Note: Enthalpy thông số trạng thái liên quan đến dòng lưu động Truyền lượng dịng chảy (Energy transport by Mass) • Cơng thức tổng qt cho dịng chảy (hệ hở): • Với hệ hở tĩnh tại: Bỏ qua động năng, năng: Note: Hầu hết thường gặp hệ hở tĩnh tại, ổn định, chiều Question: Tại hệ hở có dịng chảy mà lại nói “Hệ tĩnh tại” bỏ qua động hệ? Answer: Dòng chảy vào/ra hệ, cịn hệ đứng im Ví dụ động tuabin phát điện 4/13/2018 5.3: Phân tích lượng hệ hở ổn định • Thường gặp hệ hở ổn định (flow stream): Tuabin, máy nén, ống phun … Phân tích lượng hệ hở ổn định • Cân vật chất: ▫ Hệ đơn dịng: • Cân lượng: ▫ Hệ hở ổn định: Hệ khơng tích trữ lượng: ▫ ; ∆ 4/13/2018 Phân tích lượng hệ hở ổn định • Nhớ lại: dạng truyền lượng (heat, work, mass) • Với dịng chảy ổn định: • Sắp xếp lại: • Bỏ qua động năng, năng: Phân tích lượng hệ hở ổn định • Khi bỏ qua động năng, năng: • Trong đó: Là lượng nhiệt 1kg mơi chất hệ trao đổi với môi trường: - Thường gặp hệ có nhiệt độ cao → Hệ nhiệt (q âm) - Nếu hệ bọc cách nhiệt tuyệt đối (adiabatic) → q = # $ô& ấ () - Với dịng chảy, khơng tồn cơng dịch chuyển biên hệ: *# *+ Công lưu động (Pv) nằm thành phần enthalpy Các hệ thống có cơng trục (tuabin, máy nén, bơm), W shaft work Nếu hệ thống nhận lượng điện, W công điện Các hệ thống khơng có cơng trục, cơng điện (ống phun) W = ... khối lượng (Mass Conservation /Mass Balance) • Hiệu số lượng vật chất vào HT khỏi hệ thống khối lượng thay đổi hệ: 4/13/2018 Nguyên lý bảo tồn khối lượng (Mass Conservation /Mass Balance) • Tổng lượng. .. lượng: Vật chất khơng bị hay sinh q trình, biến đổi • Hệ kín: Lượng vật chất hệ số • Hệ hở: Vật chất qua biên hệ Cần phải xác định kiểm soát lượng vật chất truyền qua biên hệ Lưu lượng khối lượng. .. The mass of the system remain constant during a process • Control volumes: Mass can cross the boundaries, and so we must keep track of the amount of mass entering and leaving the control volume