bài báo cáo nhiệt động lực học

mục đích bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu được từ thực tế một số vấn đề cơ bản về lí thuyết đã học trong nưmoon học nhiệt động lực học ký thuật. Từ đó giúp sinh viên có thời gian hiểu được vai trò của nó trong đời sống xã hội

I TRÍCH YẾU :

1 Mục đích thí nghiệm:

Mục đích bài thí nghiệm là giúp sinh viên tìm hiểu bằng thực tế một số vấn đề cơ bản về lý thuyết đã học trong môn học Nhiệt động lực học kỹ thuật Từ đó giúp sinh viên có một khái niệm chung về môn học, hiểu được vai trò và sự áp dụng của nó trong công nghiệp và đời sống

2 Phương pháp thí nghiệm:

Trong bài thí nghiệm này, sinh viên phải thực hiện các công việc như sau:

a) Xác định trạng thái không khí bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm của không khí tại các vị trí trước giàn lạnh 4 (cũng chính là trạng thái của không khí ở môi trường xung quanh), trước thiết bị sấy nóng không khí 5 (sau giàn lạnh 4), trước vòi phun hơi 6 và sau dàn phun hơi (thải ra ngoài trời) Từ các số liệu đo được, sinh viên phải vẽ các quá trình thay đổi trang thái của không khí trên giản đồ i - d và trên cơ sở đó sinh viên phải xác định enthalpy và độ chứa hơi của không khí tại các vị trí nói trên

b) Tính toán cân bằng nhiệt của ống khí động bao gồm các công việc như : xác định lưu lượng gió thổi qua ống, xác định năng suất lạnh của giàn lạnh và phụ tải nhiệt của thiết bị sấy

II THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM :

1 Mô hình thí nghiệm :

Sơ đồ nguyên lý của mô hình thí nghiệm được biểu diễn trên hình 1 Nó là một ống khí động, trong đó không khí được thổi qua từ đầu này đến đầu kia của ống và lần lượt được làm lạnh bằng dàn bốc hơi của máy lạnh, sấy nóng bằng điện trở và làm ẩm bằng cách phun hơi nước từ một bình tạo hơi

2 Mô tả sơ đồ:

Không khí nhờ quạt gió (có cửa điều chỉnh lưu lượng) 1 thổi qua ống khí động 2, lần lượt được làm lạnh trong giàn lạnh 4, sau đó được sấy nóng bằng điện trở trong thiết bị sấy

5, sau đó được làm ẩm bằng vòi phun hơi 6 và được thổi ra ngoài Ở các vị trí trước và sau mỗi thiết bị nằm trong ống khí động đều có đặt các nhiệt kế bầu khô 7 và các nhiệt kế bầu ướt 8 để đo nhiệt độ và độ ẩm của không khí Tại đầu ra của ống khí động có đặt đồng hồ đo vận tốc gió 9 để xác định lưu lượng gió thổi qua ống Phía dưới giàn lạnh 4 có đặt dụng cụ đo thể tích nhằm xác định lưu lượng nước ngưng tụ từ không khí bị làm lạnh

2

3

6

9

Hình 1: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nhiệt động lực học

1 Quạt gió

3 Máy lạnh

5 Thiết bị sấy nóng không khí bằng điện trở

7 Nhiệt kế bầu khô

9 Đồng hồ đo vận tốc gió

2 Ống khí động

4 Dàn lạnh

6 Vòi phun hơi

8 Nhiệt kế bầu ướt

III DỤNG CỤ VA PHƯƠNG PHÁP ĐO:

1) Dụng cụ:

ï Nhiệt kế bầu ướt và nhiệt kế bầu khô để đo nhiệt độ bầu ướt và nhiệt độ bầu khô Oáng đông để đo lượng nước ngưng Đồng hồ

2) Quy trình vận hành:

1) Bật công tắc tổng, kiểm tra đèn báo đủ ba pha trên tủ điện

2) Bật quạt thổi khí, điều chỉnh lưu lượng không khí bằng cách đóng/ mở cửa gió 3) Bật công tắc máy lạnh

4) Bật công tắc điện trở gia nhiệt (sử dụng một điện trở hay cả hai điện trở)

5) Bật nút điều khiển bình hơi (ON) cho hơi bão hoà Theo dõi nhiệt độ và áp suất tại bình hơi Nếu áp suất đạt 1,5 kg/cm2 thì bắt đầu mở van phun hơi

6) Sau khi mở van phun hơi, để hệ thống chạy khoảng 15 giây nhằm đạt độ ổn định Lần lượt đo nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt tại các vị trí Dùng ống đong và thì kế đo lưu lượng nước ngưng phía sau dàn lạnh

7) Bật nút điều khiển bình hơi (ON) cho hơi quá nhiệt Để hệ thống tiếp tục chạy khoảng 5 phút nhằm đạt ổn định rồi cũng tiến hành đo như trên

8) Thay đổi chế độ hoạt động khác bằng cách thay đổi vị trí cửa gió, tăng hoặc giảm điện trở, tăng hoặc giảm lượng hơi phun vào

Chú ý:

Mực nước trong bình hơi được kiểm tra sau mỗi thí nghiệm (tắt điện trở) bằng cách đóng mở van thông giữa bình hơi và bình chứa nước để cấp thêm nước cho bình hơi Mực nước cấp ngang với nhiệt kế hơi bão hòa

IV TÍNH TOÁN

1 Xác định lưu lượng không khí chuyển động trong ống khí động

G kk = v.F.ρ (kg/s)kg/s))

v : vận tốc ống khí động (m/s).

F = 0.0144 m2 : diện tích miệng ra của ống khí động

ρ : khối lượng riêng của không khí

2 tính toán dàn lạnh

a) năng suất lạnh của dàn lạnh Q o

Q o = G kk (i 1 – i 2 )

G kk : lưu lượng trọng lượng của không khí chuyển động trong ống khí động (kg/s)

i 1 và i 2 : enthalpy của không khí vào và ra khỏi dàn lạnh (kj/kg)

b) lượng nước tách ra từ dàn lạnh tính toán theo lý thuyết G nước

G nước =3600.G kk (d 2 – d 1 ) , (kg/h)

d 1 và d 2 : độ chứa hơi của không khí vào và ra khỏi dàn lạnh (kg/kg)

c) lượng nước thực tế tách ra từ dàn lạnh G’ nước G’ nước = 0.06.V 1 /t 1 , (kg/h)

V1 (ml) : thể tich nước tách ra từ dàn lạnh trong thời gian t1

3 Tính toán thiết bị sấy nóng không khí

a) Phụ tải nhiệt của thiết bị sấy nóng không khí Q

Q = G’ kk (i 3 – i 2 ) , ( kW)

i2 và i3: enthalpy của không khí vào và ra khỏithiết bị sấy nóng không khí (kj/kg)

b) Lương nhiệt do dòng điện cung cấp qua điện trở :

Q’= 1kW (một điện trở) Q’= 2kW (hai điện trở)

V KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Bảng 1: Số liệu thô

Chế độ

vận tốc

gió,

(m/s)

Lần

đo

Trạng thái hơi

Điểm 1 Điểm 2 Điểm 3 Điểm 4 Thể

tích nước ngưn g

V 1 (ml)

Thời gian nước ngưn g

1 (s)

Trước dàn lạnh ( o C)

Trước thiết bị sấy ( o C)

Trước vòi phun hơi ( o C)

Sau vòi phun hơi ( o C)

t k t ư t k t ư t k t ư t k t ư

2,73

1 Quá nhiệt Bão hòa 32 29 24 24 32 28 34 3332 29 23 22 32 26 32 32 2929 6060

2 Quá nhiệt Bão hòa 32 30 24 24 32 29 33 3332 29 23 23 31 26 32 32 2929 6060

3 Quá nhiệt Bão hòa 32 29 25 25 33 29 35 3532 29 24 23 32 26 33 33 2929 6060

2,3

1 Quá nhiệt Bão hòa 32 30 23 21 33 28 34 3432 30 22 20 31 28 32 32 2727 6060

2 Quá nhiệt Bão hòa 33 29 24 22 35 29 36 3533 28 23 22 32 32 33 32 2727 6060

3 Quá nhiệt Bão hòa 33 30 24 22 34 28 35 3533 30 24 22 33 31 32 33 2727 6060

1,7

1 Quá nhiệt Bão hòa 33 29 24 20 31 29 35 3533 30 24 21 32 30 35 35 2424 6060

2 Quá nhiệt Bão hòa 33 28 24 21 33 30 37 3734 31 24 21 33 30 36 36 2424 6060

3 Quá nhiệt Bão hòa 34 31 24 21 34 30 37 3734 31 24 21 33 30 37 37 2424 6060

Bảng 2: Các thông số của không khí ẩm

v= 2.73 m/s v= 2.3 m/s v= 1.7 m/s

Lầ

n 1

Bão

hòa

d 0.025 0.019 0.022 0.032 0.026 0.015 0.022 0.036 0.025 0.013 0.026 0.037

Quá

nhiệt

d 0.025 0.016 0.018 0.031 0.026 0.014 0.023 0.030 0.026 0.014 0.027 0.037

Lầ

n 2

Bão

hòa

d 0.026 0.019 0.025 0.032 0.024 0.015 0.024 0.036 0.023 0.014 0.026 0.038

I 99.2 73.3 96.3 115.1 94.2 60.7 96.3 129.8 92.1 58.6 100.5 140.2

Quá

nhiệt

d 0.026 0.018 0.019 0.030 0.023 0.016 0.027 0.030 0.027 0.014 0.026 0.038

I 99.2 68.2 77.4 107.2 90 60.7 101.3 110.9 102.6 58.6 110.5 140.2

Lầ

n 3

Bão

hòa

d 0.025 0.020 0.025 0.037 0.026 0.015 0.023 0.037 0.027 0.014 0.026 0.040

I 96.3 75.3 96.3 134 94.2 60.7 94.2 131.9 102.6 58.6 100.5 138.1

Quá

nhiệt

d 0.025 0.017 0.018 0.032 0.026 0.015 0.026 0.033 0.027 0.014 0.026 0.040

I 96.3 67.0 77.4 115 94.2 60.7 100.5 115.1 102.6 58.6 100.5 138.1

Bảng 3: Năng suất dàn lạnh Q o

Gkk(kg/

v =

2.73

(m/s)

Bão

hòa Lần 2 Lần 1 3232 1.1571.157 0.0450.045 96.399.2 71.273.3 1.1421.178

Quá

nhiệt Lần 2 Lần 1 3232 1.1571.157 0.0450.045 96.399.2 62.868.2 1.5241.410

v = 2.3

(m/s)

Bão

hòa Lần 2 Lần 1 3233 1.1571.154 0.0380.038 99.294.2 60.7060.7 1.4751.280

Quá

nhiệt Lần 1

v = 1.7

(m/s)

Bão

hòa Lần 1

Quá

nhiệt

Bảng 4 : Lượng nước tách ra từ dàn lạnh theo tính toán lý thuyết

v = 2.73 (m/

s)

Bão hòa Lần 1

Quá nhiệt Lần 1

v = 2.3

(m/s)

Bão hòa Lần 1

Quá nhiệt

v = 1.7

(m/s)

Bão hòa

Quá nhiệt

Bảng 5: Lượng nước thực tế tách ra từ dàn lạnh G’ nước (kg/h)

V 1 (ml) T 1 (kg/s)ph) G’ nướ c (kg/h)

v = 2.73

(m/s)

Bão hòa

Quá nhiệt

v = 2.3 (m/s)

Bão hòa Lần 2 Lần 1 27.027.0 1.0001.000 1.621.62

Quá nhiệt Lần 2 Lần 1 27.027.0 1.0001.000 1.621.62

v = 1.7 (m/s)

Bão hòa Lần 2 Lần 1 24.024.0 1.0001.000 1.441.44

Quá nhiệt Lần 2 Lần 1 24.024.0 1.0001.000 1.441.44

Lần 3 24.0 1.000 1.44

Bảng 6:Phụ tải của thiết bị sấy không khí Q

v = 2.73

(m/s)

Bão hòa Lần 1

Quá nhiệt

v = 2.3 (m/

s)

Bão hòa

Quá nhiệt

v = 1.7 (m/

s)

Bão hòa

Quá nhiệt Lần 1 Lần 2 100.599.6 58.658.6 0.0280.028 1.21.2

Bảng 7 : Khối lượng riêng của không khí  (kg/mkg/m 3 ) phụ thuộc vào nhiệt độ t (kg/m o C) của nó

VI BÀN LUẬN :

Câu 1 : Giải thích sự thay đổi trạng thái của không khí khi đi qua ống khí động dựa trên

sư thay đổi độ ẩm của không khí

E

i

A

D E’

B

 = 1 C

d

Hình 2 : Giản đồ biểu diễn sự thay đổi trạng thái của không khí khi đi qua ống khí động

theo lý thuyết

 Khi đi qua dàn lạnh: sự thay đổi trạng thái của không khí được biểu diễn bằng 2 đoạn thẳng AB và BC

- Trong giai đoạn đầu của quá trình làm lạnh (kg/mAB): độ ẩm tuyệt đối d của không khí

không đổi (do hàm lượng nước không đổi) còn nhiệt độ của không khí thì giảm dần xuống đến nhiệt độ điểm sương Độ ẩm tương đối  tăng dần đến trạng thái bão hòa  = 1 Tại nhiệt độ điểm sương B, ứng với trạng thái bão hòa, nước bắt đầu ngưng tụ

- Trong giai đoạn sau của quá trình làm lạnh (kg/mBC): độ ẩm tương đối  của không khí

không đổi và bằng 1, do lúc này không khí đã đạt trạng thái bão hòa Do vẫn tiếp tục làm lạnh nên nhiệt độ của không khí vẫn tiếp tục giảm Độ ẩm tuyệt đối d của không khí giảm do có nước ngưng tụ làm giảm hàm lượng của nước trong không khí ẩm

 Khi đi qua thiết bị sấy: sự thay đổi trạng thái của không khí được biểu diễn bằng đoạn thẳng CD Độ ẩm tuyệt đối d của không khí không đổi (do hàm lượng nước không đổi) còn nhiệt độ của không khí thì tăng dần Độ ẩm tương đối  giảm dần

 Khi đi qua vòi phun hơi: sự thay đổi trạng thái của không khí được biểu diễn bằng 1 đoạn thẳng nằm trong khoảng DE và DE’

- Nếu sử dụng hơi nước bão hòa: sự thay đổi trạng thái của không khí được biểu diễn

bằng đoạn DE Độ ẩm tuyệt đối d của không khí tăng lên do không khí nhận thêm ẩm Enthalpy i cũng tăng lên do không khí nhận thêm nhiệt lượng từ hơi nước bão hòa

- Nếu sử dụng hơi quá nhiệt: sự thay đổi trạng thái của không khí được biểu diễn

bằng 1 đoạn thẳng nằm giữa DE và DE’ Hơi nước càng quá nhiệt thì đoạn thẳng

càng gần DE’ Độ ẩm tuyệt đối d của không khí tăng lên do không khí nhận thêm ẩm Enthalpy i cũng tăng lên do không khí nhận thêm nhiệt lượng từ hơi nước quá nhiệt, nhưng độ tăng nhỏ hơn so với khi sử dụng hơi nước bão hòa

Câu 2 : Giải thích tại sao có thể xác định được độ ẩm của không khí thông qua nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt

 Nhiệt độ bầu khô: là nhiệt độ của hỗn hợp khí được xác định bằng nhiệt kế thông thường

Nhiệt độ bầu khô cũng chính là nhiệt độ của không khí vì bầu thủy ngân của nó tiếp xúc trực tiếp với không khí

 Nhiệt độ bầu ướt: là nhiệt độ ổn định đạt được khi một lượng nhỏ nước bốc hơi vào hỗn hợp khí chưa bão hòa hơi nước ở điều kiện đoạn nhiệt

Nhiệt độ bầu ướt được đo bằng nhiệt kế thông thường có bọc vải ướt ở bầu thủy ngân Cho nước vào cốc bọc đầu thủy ngân, nước bốc hơi đoạn nhiệt trong không khí ẩm thu nhiệt làm nhiệt độ trong không khí giảm, chờ cho đến khi nhiệt độ không thay đổi nữa thì nhiệt độ đó chính là nhiệt độ bầu ướt Do đó phải thường xuyên theo dõi để thêm nước vào cốc

Không khí càng khô hay độ ẩm tương đối  của nó càng bé thì nước xung quanh bầu nhiệt kế của nó sẽ bay hơi càng nhiều và lớp không khí sát đó càng mất nhiều nhiệt lượng và do đó nhiệt độ bầu ướt càng bé hay độ chênh lệch giữa nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt càng lớn Dĩ nhiên khi không khí khô tương đối  = 0 thì độ chênh lệch nhiệt độ này là cực đại Ngược lại khi không khí ẩm bão hòa hay độ ẩm tương đối  = 100% thì nước quanh bầu nhiệt kế không thể bay hơi và do đó giá trị nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt bằng nhau hay độ chênh lệch nhiệt độ của 2 nhiệt kế là bằng 0 Có thể thấy, nhiệt độ bầu ướt chính là nhiệt độ bão hòa tương ứng với phân áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí ẩm Như vậy, độ chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt đặc trưng cho khả năng nhận ẩm của không khí và do đó trong kỹ thuật sấy người ta gọi là thế sấy  Như vậy thế sấy bằng:

 = tk - tư

i

 < 1

tk

i = const

d

Hình 3 : Cách xác định độ ẩm của không khí

thông qua nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt

Từ nhiệt độ tư gióng theo đường t = const, cắt đường  = 1 tại điểm A

Từ A theo đường i = const cắt đường tk tại điểm B B chính là trạng thái của không khí xác định bởi hai thông số tk và tư

Đường  = const qua B cho biết độ ẩm tương đối của không khí

 Xác định độ ẩm của không khí thông qua nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt:

Độ ẩm tương đối của không khí  được xác định bằng ẩm kế Hiện nay có nhiều loại ẩm kế Tuy các ẩm kế hoạt động theo nhiều nguyên lý khác nhau nhưng cùng có một cơ sở nhiệt động Sau đây chúng ta giới thiệu các cơ sở này

Các loại ẩm kế xác định độ ẩm tương đối của không khí đều dựa trên hiệu số nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt kế ướt (t – tư) Giả sử q1 là nhiệt lượng mà không khí cung cấp cho bầu thủy ngân của nhiệt kế ướt và q2 là nhiệt lượng mà nước quanh bầu thủy ngân tiêu tốn để bay hơi Rõ ràng ta có:

Trong đó  (W/m2.K) là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên, qm (kg/m2.s) là cường độ bay hơi và r là nhiệt ẩm hóa hơi

Cường độ bay hơi qm (kg/m2.s) có thể tính gần đúng theo công thức Dalton qua hệ số bay hơi m (kg/m2.s.bar) và độ chênh lệch áp suất giữa phân áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ nhiệt kế ướt pm và phân áp suất pa của hơi nướ trong không khí ẩm:

B

760 ) p p (

Trong đó: B là áp suất khí trời nơi ta xác định độ ẩm tương đối 

Dễ dàng thấy rằng nếu áp suất khí trời B được đo bằng bar thì công thức trên được viết lại dưới dạng:

B

013 , 1 ) p p (

Thay giá trị của q1 theo (2) và q2 (hay qm) theo (3), (4) vào (1) chúng ta được:

pm – pa = .1,013.r

m





B(t – tư) = A.B.( t – tư) (5) Trong đó: A = .1,013.r

m





Hệ số A gọi là hệ số ẩm kế và phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt  và hệ số bay hơi

m Các hệ số này lại phụ thuộc vào tốc độ chuyển động tự nhiên của không khí Như vậy, có thể xem A = f(v) Thực nghiệm cho thấy khi tốc độ v < 0,5m/s thì A = 66.10-5 và khi v > 0,5m/s thì hệ số A xác định theo công thức sau:

5 10 V

75 , 6 65















Từ (5) có thể rút ra phân áp suất pa của hơi nước :

Mà:  =

b

a p

p

 Ta có công thức xác định độ ẩm tương đối của không khí  theo áp suất bão hòa pb

và độ chênh nhiệt (t – tư)

) t t ( p

B A p

p

ư b

b

m







Trong (8) pm và pb đều là áp suất bão hòa nhưng pm là áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ nhiệt kế tư còn pb là áp suất bão hào ứng với nhiệt độ nhiệt kế khô t Như vậy, chúng ta có thể hoàn toàn xác định được độ ẩm tương đối của không khí khi biết nhiệt độ nhiệt kế khô

t và nhiệt độ nhiệt kế ướt tư

Câu 3 : So sánh giữa các quá trình làm lạnh, sấy nóng và phun hơi nước vào không khí ẩm trên đồ thị i – d của lý thuyết và thực tế.

Sự thay đổi trạng thái của không khí khi đi qua ống khí động được biểu diễn trên các đồ thị từ 1 đến 9 Nhìn chung, chúng có dạng như sau:

E

i

E’ A

D

B

 = 1 C

d

Hình 4 : Giản đồ biểu diễn sự thay đổi trạng thái của không khí khi đi qua ống khí động

theo thực tế

 Khi đi qua dàn lạnh (kg/mAB, BC) : sự thay đổi trạng thái của không khí không giống so với lý thuyết Tại vị trí cuối cùng của quá trình làm lạnh (điểm C), trạng thái của không khí không phải là bão hòa như lý thuyết mà là trạng thái chưa bão hòa Đó là do khi không khí đi ra khỏi dàn lạnh đã nhận thêm nhiệt lượng từ môi trường xung quanh trước khi đến nhiệt kế bầu khô và nhiệt kế bầu ướt

 Khi đi qua thiết bị sấy (kg/mCD) : sự thay đổi trạng thái của không khí không giống so với lý thuyết Quá trình sấy nóng này không phải diễn ra ở điều kiện độ ẩm tuyệt đối d không đổi như lý thuyết mà ở đây d lại tăng dần Đó là do không khí sau khi ra khỏi thiết

bị sấy đã nhận thêm ẩm từ môi trường xung quanh trước khi đến nhiệt kế bầu khô và nhiệt kế bầu ướt

 Khi đi qua vòi phun hơi nước (kg/mDE, DE’) : sự thay đổi trạng thái của không khí giống với lý thuyết Do môi trường xung quanh không ảnh hưởng nhiều đến kết quả

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO :