Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa Khoa Kỹ thuật Hóa học BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ Bài NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CBHD Sinh viên MSSV Nhóm Lớp Ngày TN Năm học 2022 2023 MỤC L[.]
Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa Khoa Kỹ thuật Hóa học BỘ MƠN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ Bài: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CBHD: Sinh viên: MSSV: Nhóm: Ngày TN: Năm học 2022-2023 Lớp: MỤC LỤC I TRÍCH YẾU Mục đích thí nghiệm .3 Phương pháp thí nghiệm 2.1 Nội dung thí nghiệm .3 2.2 Quy trình vận hành II LÝ THUYẾT TN .4 2.1 Khái niệm không khí ẩm 2.2 Các thông số đặc trưng khơng khí ẩm 2.3 Các phương pháp đo độ ẩm tương đối khơng khí ẩm .5 2.4 Các loại khơng khí ẩm .5 2.5 Xác định trạng thái hỗn hợp khơng khí ẩm .6 III DỤNG CỤ, THIẾT BỊ TN IV KẾT QUẢ TN V BÀN LUẬN 11 5.1 Giải thích thay đổi trạng thái khơng khí qua ống khí động dựa thay đổi độ ẩm khơng khí .11 5.2 Giải thích xác định độ ẩm khơng khí thơng qua nhiệt độ bầu khơ 11 5.3 So sánh q trình sấy nóng phun nước vào khơng khí ẩm đồ thị i-d .12 VI PHỤ LỤC 16 VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 I TRÍCH YẾU Mục đích thí nghiệm Có khái niệm chung Nhiệt động lực học kỹ thuật, hiểu vai trò áp dụng cơng nghiệp đời sống Khảo sát trạng thái khơng khí ẩm qua q trình phun ẩm, gia nhiệt Tính tốn thơng số thể q trình giản đồ i-d Phương pháp thí nghiệm 2.1 Nội dung thí nghiệm Xác định trạng thái khơng khí bao gồm nhiệt độ, độ ẩm khơng khí trường hợp: Khơng khí sau qua vịi phun ẩm bão hịa Khơng khí sau trải qua hai lần gia nhiệt AR2 AR3 Từ số liệu đo được, xác định trình thay đổi trạng thái khơng khí giản đồ I-d sở xác định enthalpy độ chứa khơng khí vị trí nói Tính tốn xác định lưu lương khơng khí thổi qua ống 2.2 Quy trình vận hành Quan sát hệ thống Khởi động phần mềm TAAC hình máy tính: - Trong SCADA bấm lệnh “START” - Trong ô ACTUATORS, điều chỉnh tốc độ quạt AVE1 (%) theo mục đính thí nghiệm Chuyển sang tab PID AR-2, cài đặt nhiệt độ ST3, tương tự cài đặt nhiệt độ ST7 tab PID AR-3 Lưu ý: ST3 điểu chỉnh khoảng 50-55 oC ST7 điều chỉnh khoảng 4050 oC ST3 phải lớn ST7 – 10 oC - Chuyển sang tab ACTUATORS, khởi động ON cho máy lạnh ACO-1 hoạt động tùy theo mục đích - Trong ô SCADA, bấm vào lệnh SAVE DATA, chọn chu kỳ ghi nhận liệu ô “periodic (sec)” Sau bấm lệnh START SAVING nhập tên file ghi data nhóm sau “S4-3AB_15022023” - Khi kết thúc thí nghiệm, SCADA bấm vào lệnh STOP SAVING “Stop” - Để xem số liệu ghi lại, vào Documents số liệu thể file excel theo tên file nhóm nhập từ trước Kết thúc thí nghiệm: - Kiểm tra chắn lưu lại kết thí nghiệm trước bấm lệnh STOP ô SCADA tắt phần mềm điều khiển TAAC - Ghi lại số liệu thô trước tắt cơng tắc máy tính thiết bị sấy - Tắt CB thí nghiệm - Dùng khăn ướt vắt khơ lau thiết bị thí nghiệm, bàn thí nghiệm - Quét dọn lau sàn khu vực làm thí nghiệm II LÝ THUYẾT TN 2.1 Khái niệm khơng khí ẩm Khơng khí ẩm hỗn hợp khơng khí khơ nước Khơng khí thơng thường dù nhiều có chứa lượng nước phần nhỏ khí khác, kỹ thuật, khơng khí ẩm chất mơi giới sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Cụ thể kỹ thuật điều khiển khí nén, kỹ thuật thơng gió vệ sinh cơng nghiệp, kỹ thuật điều hịa nhiệt độ 2.2 Các thơng số đặc trưng khơng khí ẩm Để xác định trạng thái khơng khí ẩm ngồi hai thơng số áp suất nhiệt độ, cịn có số thơng số khác : Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tương đối Độ chứa Entanpi Do ảnh hưởng tác nhân bên ngoài, trạng thái khơng khí ẩm bị thay đổi phần tồn thơng số Sự thay đổi trạng thái khơng khí ẩm thường gặp qua q trình đun nóng, làm lạnh, làm ẩm, trộn hai hỗn hợp có trạng thái khác Các q trình biến đổi khơng khí ẩm thường ứng dụng kỹ thuật sấy đối lưu, điều tiết khơng khí, điều hịa nhiệt độ, máy sấy dịu 2.3 Các phương pháp đo độ ẩm tương đối khơng khí ẩm Độ ẩm tương đối độ chứa không khí ẩm khơng thể đo trực tiếp được, để xác định thành phần khơng khí ẩm người ta phải dùng số phương pháp đo gián tiếp, số phương pháp nhiệt kế ướt Trên thực tế, biết độ ẩm tương đối khơng khí cần thiết kỹ thuật điều hoà khơng khí, kỹ thuật sấy, điều tiết khơng khí Một phương pháp thường ứng dụng xác định độ ẩm tương đối theo nhiệt độ nhiệt kế khô nhiệt độ nhiệt kế ướt Khi dịng khơng khí chưa bão hịa thổi qua bấc thấm nước, nước bấc quanh bầu ướt bốc hơi, nhiệt lượng sử dụng để bốc nhận từ môi trường xung quanh bầu ướt nên nhiệt độ bầu ướt thấp nhiệt độ môi trường khơng khí cần đo nhiệt độ bầu khơ Sự thấp nhiều hay phụ thuộc vào khả bốc bấc quanh bầu ướt, tức phụ thuộc vào độ ẩm tương đối khơng khí Hình 1: Nguyên lý đo nhiệt độ nhiệt kế ướt Độ lớn hay nhỏ tốc độ khơng khí thổi qua bầu ướt có ảnh hưởng định đến tính xác đọc số đo nhiệt độ nhiệt kế khô Quá trình nghiên cứu chứng minh, tốc độ gió 2,5 m/s số đo nhiệt độ nhiệt kế ổn định xác 2.4 Các loại khơng khí ẩm Tùy theo trạng thái nước khơng khí ẩm mà ta có loại khơng khí ẩm sau : - Khơng khí ẩm chưa bão hịa - Khơng khí ẩm bão hịa - Khơng khí ẩm bão hòa 2.5 Xác định trạng thái hỗn hợp khơng khí ẩm Giản đồ khơng khí ẩm sử dụng phổ biến trình xác định trạng thái khơng khí ẩm để tính tốn điều tiết khơng khí, điều hịa nhiệt độ, q trình sấy Phương pháp đồ thị có ưu điểm sử dụng dễ dàng, trực quan nhận thấy đặc tính khơng khí ẩm q trình thực Có hai loại đồ thị thường sử dụng t-d I-d Giản đồ I-d : gọi giản đồ Mollier Khi biết hai năm thông số (biểu thị giản đồ : nhiệt độ, độ ẩm tương đối, áp suất riêng phần nước, độ chứa hơi, entanpi) ta xác định trạng thái khơng khí ẩm đồ thị đọc giá trị thơng số cịn lại, từ đồ thị xác định nhiệt độ bầu ướt nhiệt độ điểm sương Hình 2: Giản đồ khơng khí ẩm I-d III DỤNG CỤ, THIẾT BỊ TN Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm biểu diễn hình sau: Hình 3: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nhiệt động lực học Trên hệ thống có 16 cảm biến dùng để đo, hiểm thị điều khiển thông số hoạt động trình xảy ống khí động, bao gồm cảm biến nhiệt độ (ST1-ST12), cảm biến đo lưu lượng (SC1, SC2), cảm biến đo áp suất (SP1, SP2) Tốc độ quạt gió AVE1, điện trở AR2, điện trở AR3 điều chỉnh thông qua cảm biến AVE1, ST3 ST7 Trong đó, dàn lạnh ACO1 mở tay lệnh ON/OFF Quạt có tốc độ tối đa 2500 vịng/phút Điện trở AR2 có cơng suất 2000 W, điện trở AR3 có cơng suất 1000 W IV KẾT QUẢ TN Tính tốn vận tốc gió vmax quạt = 2500 (vòng/phút) = 2500 2500.2 π r quạt ¿vòng/s) = (m/s) (1) 60 60 Qmax quạt = 2160 m3/h = vmax quạt.π.r2quạt (2) (1),(2) => rquạt = 0,09 (m) ⇒v1 = 40%vmax = 40% 2500 x π 0,09 = 9,4 (m/s) 60 v2 = 60%vmax = 60% 2500 x π 0,09 = 14,14 (m/s) 60 v3 = 80%vmax = 80% 2500 x π 0,09 = 18,85 (m/s) 60 Xác định lưu lượng khơng khí chuyển động ống khí động: Lưu lượng Gkk (kg/s) khơng khí chuyển động ống khí động xác định công thức: Gkk = v.F.ρ Trong đó: v : vận tốc gió vận tốc gió đầu vào ống khí động = vận tốc quạt (do khơng có trở lực) (m/s) F = 300x300 = 90000 mm2 = 0,09 m2: diện tích miệng ống khí động 3000x300x300 mm ρ : khối lượng riêng khơng khí, kg/m3 Bảng 1: Số liệu thí nghiệm với khơng khí sau qua vịi phun ẩm bão hịa Vận tốc gió (m/s) Lần đo v1 = 9,4 2 v2 = 14,14 v3 = 18,85 T1 ℃ 32,4 32,4 32,3 32,4 32,6 32,6 T1’ ℃ 26,5 26,6 26,8 26,8 26,8 26,9 T2 ℃ 32,4 32,4 32,9 32,9 33,5 33,9 T2’ ℃ 26,3 26,4 26,9 26,8 28,4 29,8 T3 ℃ 27,0 27,1 32,4 32,5 32,2 32,9 T3’ ℃ 26,5 26,6 26,9 26,8 28,0 29,4 T4 ℃ 27,8 27,9 32,4 32,5 31,8 32,5 T4’ ℃ 26,8 26,8 27,0 26,9 28,0 29,4 Bảng 2: Số liệu thí nghiệm với khơng khí trải qua gia nhiệt hai lần Vận tốc gió (m/s) v1 = 9,4 v2 = 14,14 v3 = 18,85 Lần đo 3 T1 ℃ 34,7 35,1 34,8 34,6 34,7 34,6 34,3 34,4 34,5 T1’ ℃ 29,0 29,2 29,2 29,2 29,3 29,3 29,1 29,1 29,1 T2 ℃ 50,5 51,7 48,0 49,1 49,9 46,7 39,9 40,7 44,5 10 T2’ ℃ 38,1 39,4 39,2 37,6 38,0 37,6 35,1 34,8 35,4 T3 ℃ 38,2 39,7 39,4 39,5 41,7 42,8 39,8 39,9 42,8 T3’ ℃ 37,2 39,1 39,4 37,8 38,0 37,4 35,2 34,8 35,4 T4 ℃ 56,5 55,8 52,2 59,0 56,4 50,6 43,3 47,9 58,2 T4’ ℃ 40,2 41,3 40,9 39,4 39,4 38,4 35,7 35,4 36,8 Kết tính tốn thơng số trình bày bảng sau: Bảng 3a: Các thông số không khí điểm (với thí nghiệm qua vịi phun ẩm) Thơng số Vị trí Điểm 1: Trước AR2 (môi trường) Điểm 2: Trước giàn lạnh Điểm 3: Trước AR3 (sau giàn lạnh) Điểm 4: Sau AR3 (thải mơi trường) Vận tốc gió (m/s) Lần đo Khối lượng riêng ρ (kg/m3) Lưu lượng khơng khí G (kg/s) Nhiệt độ ( ℃) tk tư Độ ẩm tương đối φ (%) Enthalpy I (kJ/kg) Hàm lượng ẩm d (kg/kg) v1 = 9,4 v2 = 14,1 v3 = 18,8 v1 = 9,4 v2 = 14,1 v3 = 18,8 v1 = 9,4 v2 = 14,1 v3 = 18,8 v1 = 9,4 v2 = 14,1 v3 = 18,8 1,120 1,120 0,9474 0,9471 32,4 32,4 26,5 26,6 63,26 63,83 82,50 82,96 0,01950 0,01968 1,119 1,4244 1,4241 32,3 32,4 26,8 26,8 65,45 64,93 83,88 83,86 0,02008 0,02003 1,118 1,8974 1,8968 32,6 32,6 26,8 26,9 63,95 64,51 83,86 84,32 0,01995 0,02013 1,120 1,120 1,117 0,9480 0,9476 32,4 32,4 26,3 26,4 62,16 62,72 81,60 82,06 0,01915 0,01933 1,4217 1,4222 32,9 32,9 26,9 26,8 63,03 62,48 84,30 83,84 0,02000 0,01982 1,8843 1,8743 33,5 33,9 28,4 29,8 68,36 74,24 91,38 98,44 0,02252 0,02511 0,9610 0,9604 27,0 27,1 26,5 26,6 96,15 96,18 82,75 83,21 0,02180 0,02194 1,4236 1,4236 32,4 32,5 26,9 26,8 65,49 64,44 84,32 83,86 0,02021 0,01999 1,8929 1,8814 32,2 32,9 28,0 29,4 72,91 77,37 89,51 96,42 0,02232 0,02473 0,9582 0,9579 27,8 27,9 26,8 26,8 92,56 91,82 84,09 84,07 0,02200 0,02195 1,4233 1,4233 32,4 32,5 27,0 26,9 66,06 65,00 84,78 84,32 0,02039 0,02017 1,8948 1,8835 31,8 32,5 28,0 29,4 75,13 79,69 89,53 96,46 0,02249 0,02491 1,119 1,118 1,117 1,111 1,136 1,135 1,118 1,105 1,118 1,116 1,133 1,132 1,118 2 1,109 1,118 1,117 1,110 11 Bảng 3b: Các thơng số khơng khí điểm sau trải qua hai lần gia nhiệt AR2 AR3 Thơng số Vị trí Điểm 1: Trước AR2 (mơi trường) Điểm 2: Trước giàn lạnh Điểm 3: Trước AR3 (sau giàn lạnh) Vận tốc gió (m/s) Lần đo Khối lượng riêng ρ (kg/m3) Lưu lượng khơng khí G (kg/s) Nhiệt độ (℃ ) tk tư Độ ẩm Enthalpy I tương (kJ/kg) đối φ (%) Hàm lượng ẩm d (kg/kg) v1 = 9,4 3 1,105 1,103 1,104 1,105 1.104 1,104 0,9348 0,9331 0,9340 1,4062 1,4050 1,4050 34,7 35,1 34,8 34,6 34,7 34,6 29,0 29,2 29,2 29,2 29,3 29,3 65,72 64,87 66,31 67,30 67,33 67,82 94,31 95,29 95,31 95,33 95,82 95,82 0,02317 0,02339 0,02352 0,02361 0,02376 0,02380 1,106 1,106 1,105 1,4075 1,8763 1,8746 34,3 34,3 34,5 29,1 29,1 29,1 68,23 67,71 67,23 94,84 94,81 94,82 0,02354 0,02349 0,02345 3 1,027 1,018 1,028 1,033 1,029 1,039 0,8688 0,8612 0,8696 1,3145 1,3095 1,3222 50,5 51,7 48,0 49,1 49,9 46,7 38,1 39,4 39,2 37,6 38,0 37,6 46,40 47,40 58,28 48,72 47,77 56,44 150,09 160,27 158,93 146,41 149,37 146,58 0,03829 0,04171 0,04274 0,03745 0,03826 0,03851 1,067 1,066 1,054 1,8101 1,8084 1,7881 39,9 40,7 44,5 35,1 34,8 35,4 72,84 67,67 55,28 129,40 127,37 131,11 0,03468 0,03356 0,03344 3 1,063 1,050 1,049 1,057 1,050 1,050 0,8992 0,8883 0,8874 1,3451 1,3362 1,3362 38,2 39,7 39,4 39,5 41,7 42,8 37,2 39,1 39,4 37,8 38,0 37,4 93,75 96,29 100 89,73 79,15 70,95 144,20 158,72 161,20 148,59 149,96 145,37 0,04114 0,04615 0,04724 0,04230 0,04191 0,03967 1,067 1,069 1,058 1,8101 1,8135 1,7948 39,8 39,9 42,8 35,2 34,8 35,4 73,83 71,31 61,65 130,06 127,41 131,21 0,03498 0,03391 0,03418 3 1,003 0,998 1,009 1,001 1,006 1,025 0,8485 0,8443 0,8536 1,2738 1,2802 1,3044 56,5 55,8 52,2 59,0 56,4 50,6 40,2 41,3 40,9 39,4 39,4 38,4 37,96 42,70 51,06 31,00 36,02 47,14 166,55 176,16 172,91 159,73 159,93 152,41 0,04213 0,04611 0,04637 0,03848 0,03963 0,03914 v2 = 14,1 v3 = 18,8 v1 = 9,4 v2 = 14,1 v3 = 18,8 v1 = 9,4 v2 = 14,1 v3 = 18,8 Điểm 4: Sau v1 = AR3 (thải 9,4 môi trường) v2 = 14,1 12 v3 = 18,8 1,056 1,048 1,014 1,7915 1,7780 1,7202 43,3 47,9 58,2 35,7 35,4 36,8 61,01 44,51 26,40 133,21 130,88 139,93 0,03475 0,03195 0,03122 Khơng tính tốn giá trị suất lạnh dàn lạnh, lượng nước tách từ dàn lạnh theo lý thuyết lượng nước thực tế thiết bị trục trặc GVHD thay gia nhiệt khơng khí lần V BÀN LUẬN 5.1 Giải thích thay đổi trạng thái khơng khí qua ống khí động dựa thay đổi độ ẩm khơng khí Khơng khí qua quạt gió vào ống khí động (chính khơng khí mơi trường xung quanh): Là khơng khí ẩm chưa bão hịa Khi qua vịi phun hơi: Khơng khí cấp thêm nhiệt ẩm Lúc khơng khí cấp thêm ẩm nên hàm lượng ẩm tăng dần, độ ẩm tương đối tăng dần, nhận nhiệt từ bão hòa nên nhiệt độ tăng dần Khi qua thiết bị sấy nóng khơng khí điện trở (sau dàn lạnh): Khơng khí nhận nhiệt từ điện trở Nhiệt độ khơng khí tăng dần, hàm lượng ẩm khơng đổi lượng nước khơng khí khơng đổi, độ ẩm tương đối giảm dần 5.2 Giải thích xác định độ ẩm khơng khí thông qua nhiệt độ bầu khô nhiệt độ bầu ướt Nhiệt độ bầu khô: nhiệt độ không khí xung quanh đo nhiệt kế thơng thường Nhiệt độ bầu ướt: nhiệt độ ổn định ta cho nước bay điều kiện đoạn nhiệt Q trình bay diễn đến khơng khí bão hòa nước đạt nhiệt độ ổn định Đo nhiệt độ bầu ướt nhiệt kế ướt, độ ẩm bé nước xung quanh bầu thủy ngân nhiệt kế ướt bay nhiều Nước bay lấy khỏi bầu thủy ngân lượng nhiệt nhiệt ẩn bay Nước bay nhiều độ chênh lệch nhiệt độ bầu khơ bầu ướt lớn Như vậy, hiệu số nhiệt độ bầu ướt bầu khô ∆t = tk - tư tỷ lệ với độ ẩm tương đối 13 Bằng thực nghiệm người ta thiết lập quan hệ φ = f (tk - tư ), sử dụng đồ thị khơng khí ẩm i-d để tra độ ẩm tương đối Hình 4:Nhiệt kế khô nhiệt kế ướt Cách xác định độ ẩm tương đối từ đồ thị khơng khí ẩm i-d: Hình 5: Cách xác định độ ẩm tương đối Từ nhiệt độ tư gióng theo đường nhiệt độ t = const cắt đường φ = điểm A Từ điểm A theo đường i = const cắt nhiệt độ tk B Đường độ ẩm tương đối φ qua B cho ta biết độ ẩm tương đối nhiệt độ tk tư 5.3 So sánh q trình sấy nóng phun nước vào khơng khí ẩm đồ thị i-d lý thuyết thực tế Giải thích sai biệt 14 Theo lý thuyết: Thực tế: Hình 6: Giản đồ trạng thái khơng khí ẩm sử dụng vịi phun với vận tốc gió v = 9,4 m/s 15 Hình 7: Giản đồ trạng thái khơng khí ẩm sử dụng vịi phun với vận tốc gió v = 14,14 m/s Hình 8: Giản đồ trạng thái khơng khí ẩm sử dụng vịi phun với vận tốc gió v = 18,85 m/s 16 Hình 9: Giản đồ trạng thái khơng khí ẩm gia nhiệt lần với vận tốc gió v = 9,4 m/s Hình 10: Giản đồ trạng thái khơng khí ẩm gia nhiệt lần với vận tốc gió v = 14,14 m/s Hì nh 11: Giản đồ trạng thái khơng khí ẩm gia nhiệt lần với vận tốc gió v = 18,85 m/s 17 Khi qua thiết bị phun ẩm: Kết thực nghiệm khác với l m khác với lý thuyết, bão hòa ý thuyết, bão hịa có độ tăng độ ẩm tương đối cao Khi qua thiết bị bị sấy nóng khơng khí: Sự thay đổi trạng thái khơng khí khác với lý thuyết Theo lý thuyết hàm lượng ẩm không đổi q trình sấy nóng thực tế d tăng dần, ngun nhân khơng khí sau khỏi thiết bị sấy nhận thêm ẩm từ xung quanh Nguyên nhân đẫn đến khác biệt lý thuyết th ẫn đến khác biệt lý thuyết thực nghiệm: Sai số hệ thống: độ trễ gia nhiệt điện trở thiết bị ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ bầu khô nhiệt độ bầu ướt Một phần lượng nhiệt bị thất thoát qua thành thiết bị Nhiệt kế bầu khô bầu khô bầu ướt sau ướt sau thiết bị thiết bị sấy nóng khơng sấy nóng khơng khí bị ảnh hưởng ảnh hưởng nhiệt nhiệt tỏa Nếu bật hai điện trở sai số lớn VI PHỤ LỤC Cơng thức xác định lưu lượng khơng khí chuyển động ống khí động: Lưu lượng Gkk (kg/s) khơng khí chuyển động ống khí động xác định công thức: Gkk = v.F.ρ Trong đó: v : vận tốc gió vận tốc gió đầu vào ống khí động = vận tốc quạt (do khơng có trở lực) (m/s) F = 300x300 = 90000 mm2 = 0,09 m2: diện tích miệng ống khí động 3000x300x300 mm ρ : khối lượng riêng khơng khí, kg/m VII TÀI LIỆU THAM KHẢO Hồng Đình Tín, Lê Chí Hiệp, “Nhiệt động lực học kỹ thuật”, Đại học Bách Khoa Tp HCM, 1996 Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh, “Quá trình Thiết bị – Tập 3: Truyền khối”, Đại học Bách Khoa Tp HCM,1997 18