NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Engineering Thermodynamics

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Khoa Cơ khí PGS TS Nguyễn Văn Nhận NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT Engineering Thermodynamics (Bài giảng dùng cho sinh viên ngành Kỹ thuật-Công nghệ ĐHNT) NHA TRANG - 2013 Chủ đề CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG THÔNG DỤNG 1 NGOẠI THẾ NĂNG Ngoại (Ep) - gọi tắt - lượng vật có vị trí Ep  m  g  z  G  z : m - khối lượng, [kg] ; g - gia tốc trọng trường, [m/s2] ; z - độ cao so với mặt phẳng so sánh, [m] ; G - trọng lượng, [N] G h H 1.1 Thế 1.2 NGOẠI ĐỘNG NĂNG Ngoại động (Ek) - gọi tắt động - lượng vật có chuyển động Ek  m  2 ; : m - khối lượng, [kg];  - vận tốc, [m/s] 1.3 NỘI NHIỆT NĂNG Nội nhiệt (U) - gọi tắt nội - lượng vật có chuyển động phân tử bên vật lực tương tác chúng Nội gồm thành phần : nội động (Ud) nội (Up) Nội động liên quan đến chuyển động phân tử nên phụ thuộc vào nhiệt độ vật, nội liên quan đến lực tương tác phân tử nên phụ thuộc vào khoảng cách phân tử Như vậy, nội hàm nhiệt độ thể tích riêng : U = U (T, v) Đối với khí lý tưởng, nội hàm nhiệt độ : U = f(T), khí lý tưởng có nội động mà khơng có lực tương tác phân tử Trong trình nhiệt động, ta cần biết lượng thay đổi nội (U) mà không cần thiết phải biết giá trị nội trạng thái đó, nên chọn điểm gốc tùy ý U = Ví dụ, nước, người ta qui ước U = t = 0,01 0C p = 0,0062 at (điểm ba thể nước) 1.4 HÓA NĂNG Hóa (Ec) lượng tích trữ liên kết nguyên tử phân tử PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 1.5 NGUYÊN TỬ NĂNG Nguyên tử (Ea) lượng tích trữ liên kết hạt tạo nên hạt nhân nguyên tử 1.6 ĐIỆN NĂNG Điện (Ee) lượng truyền vào khỏi vật nhờ hệ thống điện 1.7 NHIỆT NĂNG Nhiệt (Q) - thường gọi tắt nhiệt - dạng lượng truyền từ vật sang vật khác có chênh lệch nhiệt độ a) Đơn vị đo nhiệt 1) Calorie (Ca) - Ca nhiệt cần thiết để làm nhiệt độ gram nước tăng từ 14,5 0C đến 15,5 0C 2) British thermal unit (Btu) - Btu nhiệt cần thiết để làm nhiệt độ pound nước tăng từ 59,5 0F lên 60,5 0F 3) Joule (J) Ca = 4.187 J Btu = 252 Ca = 1055 J b) Các phương thức truyền nhiệt a) b) c) Q Q Q Earth Sun H 1.2 Các phương thức truyền nhiệt a) Dẫn nhiệt, b) Truyền nhiệt đối lưu, c) Truyền nhiệt xạ Dẫn nhiệt trình trao đổi nhiệt phần vật hay vật có nhiệt độ khác chúng tiếp xúc với Muốn có q trình dẫn nhiệt xảy vật phải có nhiệt độ khác phải tiếp xúc với Q trình dẫn nhiệt xảy vật rắn, chất lỏng chất khí Trong vật rắn diễn q trình dẫn nhiệt túy, cịn chất lỏng khí ngồi dẫn nhiệt cịn có trao đổi nhiệt đối lưu hay xạ Truyền nhiệt đối lưu trình trao đổi nhiệt nhờ chuyển động chất lỏng chất khí vùng có nhiệt độ khác Truyền nhiệt xạ trình trao đổi nhiệt thực sóng điện từ PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 1.8 CƠNG Cơng (W) - cịn gọi - dạng lượng hình thành trình biến đổi lượng có dịch chuyển lực tác dụng Về trị số, cơng tích thành phần lực phương chuyển động quãng đường dịch chuyển F W = (F cos0) S S H 1.3 Công lực F thực a) Đơn vị đo công Công dạng lượng nên đơn vị công đơn vị lượng Đơn vị thông dụng Joule (J) J công lực N dịch chuyển vật quãng đường m b) Các phương thức thực công học a) b) p F c) d) F H 1.4 Các phương thức thực công học c) Cơng thay đổi thể tích Cơng thay đổi thể tích (W) - cịn gọi cơng học (mechanical work) - công MCCT HNĐ sinh nhận thể tích MCCT thay đổi; nói cách khác, cơng học cơng thực có dịch chuyển ranh giới HNĐ Cơng học có HNĐ kín HNĐ hở PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 dW = p dV ; W 1  V2  p  dV V1 p p W out (+) W in (-) W1-2 W1-2 V V H 1.5 Biểu diễn công học đồ thị công Qui ước : Công học có trị số dương (W1-2 > 0) thể tích HNĐ tăng có trị số âm (W1-2 < 0) thể tích giảm d) Cơng kỹ thuật Cơng kỹ thuật (WT) cơng dịng khí chuyển động thực áp suất MCCT thay đổi Cơng kỹ thuật có HNĐ hở p2 wT 1    v  dp dwT = - v dp ; p1 p p2 wT1-2 p1 v H 5.3 Biểu diễn công kỹ thuật đồ thị công Qui ước : Công kỹ thuật có trị số dương (wT1-2 > 0) áp suất giảm q trình biến đổi có trị số âm (wT1-2 < 0) áp suất tăng Khi tính gần đúng, WT cơng hữu ích nhận từ dịng khí thơng qua thiết bị kỹ thuật (turbine, máy nén, ) e) Công lưu động Công lưu động (flow work - WF) - gọi áp suất lượng đẩy - công cần thiết để đẩy MCCT vào khỏi HNĐ WF = p.V; dWF = d(p.V) Công lưu động hàm trạng thái có HNĐ hở PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 NỘI DUNG ÔN TẬP 1) 2) 3) 4) 5) Định nghĩa dạng lượng thông dụng Phân biệt khái niệm : nội nhiệt (U) nhiệt (Q); hóa (Ec) nguyên tử (Ea) Định nghĩa khái niệm : công học, công lưu động, cơng kỹ thuật Mơ tả cho ví dụ thực tế phương thức truyền nhiệt Mơ tả cho ví dụ thực tế phương thức thực công học BÀI TẬP Bài tập 1.1 : Khí xylanh đẩy piston từ vị trí đến vị trí (HBT 1.1) Thiết lập biểu thức tính cơng học khí theo thơng số trạng thái : W1-2 = f(p, V, T, ) ? Trạng thá i 1 A B Khí p1 Chân không Trạng thá i Khí p2 HBT 1.1 HBT 1.2 Bài tập 1.2 : Một bình chứa ngăn màng chắn thành phần A B tích (HBT 1.3) Ban đầu, phần A chứa chất khí với áp suất p1, phần B chân không Sau bỏ màng chắn, chất khí chiếm tồn thể tích với áp suất p2 Tính cơng chất khí thực ? Bài tập 1.3 : Một viên bi thép có khối lượng m = 0,15 kg ném lên theo phương thẳng đứng Viên bi rời tay người ném vị trí h1 = 0,5 m tính từ vị trí ban đầu (h0 = m, v0 = m/s) với vận tốc v1 = m/s Xác định lực trung bình người ném tác dụng lên viên bi (F), công người ném thực (W) độ cao mà viên bi đạt (h2) PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 Chủ đề CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT CƠNG TÁC Mơi chất cơng tác (MCCT) dùng thiết bị nhiệt chất có vai trị trung gian trình trao đổi biến đổi lượng Thông số trạng thái MCCT đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái MCCT Tại trạng thái xác định MCCT, thông số trạng thái có trị số Trạng thái nhiệt động MCCT định lượng thông số trạng thái : nhiệt độ (T), áp suất (p), thể tích (V), nội (U), enthalpy (I) entropy (S) 2.1 NHIỆT ĐỘ a) Định nghĩa Nhiệt độ (T) số đo trạng thái nhiệt vật Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ số đo động trung bình phân tử m    k T (2.1) : m - khối lượng phân tử ;  - vận tốc trung bình phân tử ; k số Bonzman, k = 1,3805 105 J/deg ; T - nhiệt độ tuyệt đối b) Nhiệt kế Nhiệt kế loại dụng cụ để đo nhiệt độ Nhiệt kế hoạt động dựa thay đổi số tính chất vật lý vật thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ : chiều dài, thể tích, màu sắc, điện trở , v.v c) Thang nhiệt độ thông dụng 1) Thang nhiệt độ Celsius (0C) - (Anders Celsius - 1701-1744)  0C - nhiệt độ nước đá tan  100 0C - nhiệt độ nước sôi áp suất khí 2) Thang nhiệt độ Fahrenheit (0F) - (Daniel Fahrenheit - 1686-1736)  0F - nhiệt độ hỗn hợp muối tuyết D Fahrenheit tạo  100 0F - nhiệt độ thể người 3) Thang nhiệt độ Kelvin (K) - (Kelvin - 1824-1907 ) : thang nhiệt độ Kelvin, gọi nhiệt độ tuyệt đối, 0K nhiệt độ phân tử vật ngừng chuyển động PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 d) Công thức chuyển đổi thang nhiệt độ  K    C 273  F   95  C   32 ; 0 0 373 100 212 273 00 32 00 - 273 - 460 Kelvin Celsius Fahrenheit H 2.3 Nhiệt độ Kelvin, Celsius Fahrenheit 2.2 ÁP SUẤT a) Định nghĩa Áp suất lưu chất (p) lực tác dụng phân tử theo phương pháp tuyến lên đơn vị diện tích thành bình chứa p F A Theo thuyết động học phân tử : p  n m   (2.2) : p - áp suất ; F - lực tác dụng phân tử ; A - diện tích thành bình chứa ; n - số phân tử đơn vị thể tích ;  - hệ số phụ thuộc vào kích thước lực tương tác phân tử b) Đơn vị áp suất 1) N/m2 2) Pa (Pascal) 3) at (Technical Atmosphere) 4) atm (Physical Atmosphere) at at Pa N/m2 bar mm H2O mm Hg 1,01972.10 -5 1,01972.10 -5 1,01972 1.10 -4 1,35951.10 -3 PGS TS ; ; ; ; 5) mm Hg (tor - Torricelli, 1068-1647) 6) mm H2O 7) psi (Pound per Square Inch) 8) psf (Pound per Square Foot) Pa 9,80665.10 1 105 9,80665 133,322 Nguyễn Văn Nhận mm H2O 1.10 0,101972 0,101972 10197,2 13,5951 - Engineering Thermodynamics mm Hg (at 0C) 735,559 7,50062.10 -3 7,50062.10 -3 750,062 73,5559.10 -3 - 2013 c) Phân loại áp suất pd p pck p0 p0 p H 2.4 Các loại áp suất 1) Áp suất khí (p0) - áp suất khơng khí tác dụng lên bề mặt vật trái đất 2) Áp suất dư (pd) - áp suất lưu chất so với môi trường xung quanh pd = p - p 3) Áp suất tuyệt đối (p) - áp suất lưu chất so với chân không tuyệt đối p = pd +p0 4) Độ chân không (pck) - phần áp suất nhỏ áp suất môi trường xung quanh pck = p0 - p d) Áp kế Áp kế dụng cụ để đo áp suất lưu chất a) b) Vacuum pd Hg p p0 p0 H 2.5 Dụng cụ đo áp suất a) Barometer , b) Áp kế Áp suất khí thường đo dụng cụ có tên gọi hàn thử biểu (barometer) (H 2.5a) Các loại áp kế thông dụng dùng để đo áp suất dư lưu chất Áp suất tuyệt đối lưu chất tổng áp suất dư áp suất khí Khi đo áp suất chiều cao cột chất lỏng phải tính đến thay đổi trọng lượng riêng theo nhiệt độ Để đảm bảo tính so sánh đo áp suất nhiệt độ khác nhau, ta phải hiệu chỉnh kết đo nhiệt độ qui ước PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 10 Đối với áp kế thủy ngân, chiều cao cột thủy ngân cần hiệu chỉnh nhiệt độ 0C sau : h0 = h (1 - 0,000172 t) (2.3) : t - nhiệt độ cột thủy ngân, [ C] ; h0 - chiều cao cột thủy ngân hiệu chỉnh nhiệt độ 0C ; h - chiều cao cột thủy ngân nhiệt độ t 0C 2.3 THỂ TÍCH a) Thể tích riêng Thể tích riêng (v) chất thể tích ứng với đơn vị khối lượng chất v : V m [m3/kg] (2.4) b) Khối lượng riêng Khối lượng riêng () chất khối lượng ứng với đơn vị thể tích  chất : m V [kg/m3] (2.5) Khối lượng riêng chất đại lượng đánh giá mức độ tập trung chất đơn vị thể tích Đại lượng cịn có tên gọi định nghĩa khác nhau, ví dụ : mật độ, trọng lượng riêng, tỷ khối, độ API, v.v  Trọng lượng riêng () - Trọng lượng đơn vị thể tích G   chất : [N/m3] (2.6) V  Tỷ khối (d) - gọi tỷ trọng - chất đại lượng khơng thứ ngun, có trị số khối lượng chất chia cho khối lượng nước cất có thể tích : d  m m (2.7) : m1 - khối lượng đơn vị thể tích mẫu thử nhiệt độ t1, [kg]; m2 khối lượng đơn vị thể tích nước cất nhiệt độ t2, [kg] Ở nhiều nước châu Âu, người ta chọn t1 = 15 0C , t2 = 15 0C t2 = 0C Ở Mỹ Anh chọn t1 = t2 = 60 0F = 15,6 0C Khi tỷ khối có ký hiệu tương ứng d1515 , d 415 d@60 0F Trị số d1515 , d 415 d@60 0F chất khơng hồn tồn Tuy nhiên, tính tốn kỹ thuật người ta thường lấy d1515  d 415  d@60 F  Độ API - 0API (American Petroleum Institute) đơn vị quy ước dùng đo mật độ sản phẩm dầu mỏ sử dụng Hoa Kỳ Giữa 0API d@60 0F có quan hệ sau : API  141,5  131,5 d @ 600 F (2.8) Từ công thức (2.8) thấy rằng, nước cất nhiệt độ 60 0F có mật độ 10 API Chất lỏng có mật độ nhỏ 10 0API nặng nước, ngược lại PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 50 Đối với bão hịa ẩm, người ta khơng lập bảng trạng thái mà xác định trạng thái sở độ khô thông số trạng thái nước sơi bão hịa khơ sau : vx = v' + x (v'' - v') ix = i' + x (i'' - i') sx = s' + x (s'' - s') ux = u' + x (u'' - u') Nội khơng có bảng đồ thị Nội xác định theo enthalpy công thức : u = i - pv 8.3.2 ĐỒ THỊ HƠI NƯỚC Bên cạnh việc dùng bảng, người ta sử dụng đồ thị trạng thái để tính tốn cho 1) Đồ thị T - s nước t K p3 p2 v1 x1 p1 t1 v1 x2 xn-1 xn s H 8.5 Đồ thị t - s nước Trên đồ thị t-s (H 8.5), đường đẳng áp p = const vùng nước chưa sôi trùng với đường giới hạn (x = 0), vùng bão hòa ẩm đoạn thẳng nằm ngang trùng với đường đẳng nhiệt (t = const), vùng nhiệt đường cong lên Chiều tăng áp suất với chiều tăng nhiệt độ Các đường có độ khơ khơng đổi (x = const) xuất phát từ điểm tới hạn K tỏa xuống phía 2) Đồ thị i - s nước Đồ thị i-s nước (H 8.6) Mollier xây dựng lần vào năm 1904 sở số liệu thực nghiệm Đồ thị i-s thuận tiện cho việc tính tốn nước, trình đẳng áp : dq = di - v.dp hay q = i2 - i1 Như vậy, nhiệt trình đẳng áp hiệu enthalpy PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 51 i [kJ/kg] 500 0C 400 300 200 100 3200 2400 x=1 K 0,9 0,8 1600 0,7 0,6 0,5 800 0,4 s [kJ/kg.0K] H 8.6 Đồ thị i - s nước Trên đồ thị i-s, đường đẳng áp (p = const) vùng bão hòa ẩm trùng với đường đẳng nhiệt tương ứng đường thẳng xiên, vùng nhiệt đường cong lên có bề lồi quay phía Đường đẳng nhiệt (T = const) vùng bão hòa ẩm trùng với đường đẳng áp tương ứng, vùng nhiệt đường cong lên Càng xa đường x = 1, đường đẳng nhiệt gần song song với trục hồnh Đường đẳng tích (v = const) đường cong lên dốc đường đẳng áp, chúng thường vẽ đường nét đứt màu đỏ Trong thực tế kỹ thuật, trình nhiệt động thường diễn vùng nhiệt phần vùng bão hịa ẩm có độ khơ cao Vì vậy, để đơn giản người ta thường vẽ phần 8.3.3 ĐỒ THỊ lg p - i CỦA TÁC NHÂN LẠNH Môi chất công tác thông dụng cho máy lạnh amoniac (NH3) freon (R12, R22, ) Người ta thường xây dựng đồ thị lg p - i cho loại tác nhân lạnh để sử dụng tính tốn máy lạnh (H 8.7) Các đường p = const đường thẳng song song với trục hoành Các đường t = const vùng bão hòa ẩm trùng với đường áp suất tương ứng, vùng nhiệt đường gần thẳng đứng Các đường s = const v = const đường cong có bề lồi phía trên, đường s = const dốc nhiều so với đường v = const PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 52 lgp [Mpa] t2 p2 t1 K s2 p t s1 v2 p1 v1 t2 t1 i [kJ/kg] H 8.7 Đồ thị lg p - i tác nhân lạnh NỘI DUNG ÔN TẬP 1) 2) 3) 4) 5) Mơ tả q trình hóa đẳng áp nước Độ khô độ ẩm nước Các thông số trạng thái nước Mô tả bảng nước phương pháp xác định thông số trạng thái nước bảng nước Mô tả đồ thị T - s, đồ thị i - s nước phương pháp xác định thông số nhiệt động nước đồ thị T - s, i - s PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 53 Chủ đề KHƠNG KHÍ ẨM 9.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI Khơng khí khơ hỗn hợp chất khí có bầu khí bao quanh trái đất Ngồi N2 O2, thành phần khí cịn nhiều loại khí khác với hàm lượng nhỏ A, CO2, NOx, CO, HC, v.v Khơng khí ẩm hỗn hợp khơng khí khơ nước Bảng 9.1 Thành phần khơng khí khơ Thành phần Oxygen (O2) Nitrogen (N2) Argon (A) Carbon dioxide (CO2)  31,998 28,013 39,948 44,010 V [%] 0,2095 0,7809 0,0093 0,0003 V [%] 0,210 m [%] 0,232 0,790 0,768 Vì phân áp suất nước khơng khí ẩm nhỏ, nên nước khơng khí ẩm xem khí lý tưởng khơng khí ẩm xem hỗn hợp khí lý tưởng với đặc điểm sau : 1) Áp suất (p) khơng khí ẩm tổng phân áp suất khơng khí khơ (pk) phân áp suất nước (ph) : p = p k + ph 2) Nhiệt độ khơng khí ẩm (T) nhiệt độ khơng khí khơ (T k) nhiệt độ nước (Th) : T = Tk = T h 3) Thể tích khơng khí ẩm (V) thể tích khơng khí khơ (Vk) thể tích nước (Vh) : V = V k = Vh 4) Khối lượng không khí ẩm (m) tổng khối lượng khơng khí khô (mk) khối lượng nước (mh) : m = mk + mh Khơng khí ẩm phân loại sau :  Khơng khí ẩm bão hịa : khơng khí ẩm chứa lượng nước bõa hịa khơ lớn (mh.max)  Khơng khí ẩm q bão hịa : khơng khí ẩm chứa lượng nước lớn mh.max Hơi nước bão hịa ẩm, tức ngồi nước bão hịa khơ cịn có lượng nước ngưng định (mn) Khơng khí ẩm có sương mù khơng khí ẩm q bão hịa có chứa giọt nước ngưng tụ PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 54  Khơng khí ẩm chưa bão hịa : khơng khí ẩm chứa lượng nước nhỏ mh.max, tức cịn nhận thêm nước để trở thành bão hịa Hơi nước khơng khí ẩm chưa bão hịa q nhiệt Có thể biến khơng khí ẩm chưa bão hịa thành bão hòa cách sau (H 9.1) :  Cách thứ (theo đường B - A1): giữ không đổi nhiệt độ th = const, tăng áp suất nước từ ph đến áp suất bão hịa ph.max Trong trường hợp này, khơng khí ẩm chưa bão hòa nhận thêm nước đến trở thành bão hòa  Cách thứ hai (theo đường B - A2) : giữ không đổi áp suất ph = const, giảm nhiệt độ từ th đến nhiệt độ đọng sương ts Trường hợp xảy mùa đơng nhiệt độ khơng khí đột ngột giảm xuống đến giá trị nhỏ nhiệt độ đọng sương, nước khơng khí ngưng tụ thành sương mù t ph max ph A1 B A2 th ts s H 9.1 Đồ thị t - s nước 9.2 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA KHƠNG KHÍ ẨM 1) Độ ẩm tuyệt đối (h) : khối lượng nước có m3 khơng khí ẩm h  mh V (9.1) 2) Độ ẩm tương đối () : tỷ số độ ẩm tuyệt đối khơng khí ẩm chưa bão hịa (h) độ ẩm tuyệt đối khơng khí ẩm bão hòa (h max)  h  h max (9.2a) Sử dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho nước ta có :  Với nước khơng khí ẩm chưa bão hịa : ph  V  mh  Rh  T ; PGS TS Nguyễn Văn Nhận h  mh ph  V Rh  T - Engineering Thermodynamics (9.2b) - 2013 55  Với nước khơng khí ẩm bão hòa : ph max  V  mh max  Rh  T ;  h max  mh max ph max  V Rh  T (9.2c) : ph - phân áp suất nước; ph max - phân áp suất bão hòa, tức phân áp suất nước bão hòa ứng với nhiệt độ T khơng khí Thế (9.2b) (9.2c) vào (9.2a) ta có :  ph (9.2d) ph max Vì  ph  ph max nên    100 % Khơng khí khơ có  = 0, khơng khí ẩm bão hịa có  = 100 % Độ ẩm tương đối cho biết khả nhận thêm nước, tức khả sấy khơng khí ẩm Độ ẩm tương đối nhỏ khả sấy khơng khí lớn Độ ẩm tương đối đại lượng có ý nghĩa lớn khơng kỹ thuật mà sống người Con người cảm thấy thoải mái khơng khí có độ ẩm tương đối  = 40 ÷ 70 % Dụng cụ đo độ ẩm tương đối gọi ẩm kế Ẩm kế thông dụng gồm nhiệt kế thủy ngân : nhiệt kế khô nhiệt kế ướt (H 9.2) Nhiệt kế ướt có bầu thủy ngân bọc vải thấm ướt nước Nhiệt độ đo nhiệt kế khơ gọi nhiệt độ khơ (tk), cịn nhiệt độ đo nhiệt kế ướt gọi nhiệt độ ướt (tu) Hiệu số t = tk - tu tỷ lệ với độ ẩm tương đối khơng khí Khơng khí khơ t lớn, khơng khí ẩm bão hịa có t = Biết t, xác định  bẳng bảng đồ thị tk tu Lớ p vải bọc Bầu đựng n- c H 9.2 Ẩm kế 3) Độ chứa (d) : lượng nước chứa khơng khí ẩm ứng với kg khơng khí khơ d PGS TS mh mk Nguyễn Văn Nhận [kg nước/kg khơng khí khơ] - Engineering Thermodynamics (9.3a) - 2013 56 Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho nước khơng khí mh  khơ ta có : ph  V Rh  T mk  pk  V Rk  T 8314 ph Rk  ph 29 d  Thế mh mk vào (9.3a) ta có : Rh  pk 8314 p k 18 ph d  0,622 [kgh/kgk] p0  ph (9.3b) Khi ph = phmax d = dmax Từ (9.3b) ta có : d max  0,622 ph max p0  ph max (9.3c) 4) Enthalpy khơng khí ẩm Trong kỹ thuật sấy, người ta thường tính enthalpy khơng khí ẩm enthalpy ứng với kg khơng khí khô Theo định nghĩa, độ chứa (d) lượng nước chứa kg khơng khí khơ nên enthalpy (I) khơng khí ẩm tổng enthalpy kg khơng khí khơ d kg nước : I = ik + d ih [kJ/kg kk] (9.4a) Thay ik = cpk t ih = r + cph t vào (9.4a) ta có : I = cpk t + d (r + cph t) (9.4b) công thức : ik, ih - enthalpy kg khơng khí khơ kg nước, [kJ/kg]; cpk, cph - nhiệt dung riêng đẳng áp khơng khí khơ nước, [kJ/kg.deg]; r - nhiệt ẩn hóa nước, [kJ/kg] Có thể lấy cpk = 1,004 kJ/kg.deg; cph = 1,842 kJ/kg.deg; r = 2500 kJ/kg Biểu thức (9.4b) viết sau : I = 1,004 t + d (2500 + 1,842 t) [kJ/kg kk] (9.4c) d I  1,004 t 2500 1,842 t [kg h/kg kk] (9.4d) 5) Phân áp suất (ph) phân áp suất bão hòa (ph max) Công thức (9.3b) cho phép ta xác định phân áp suất nước (ph) biết lượng chứa (d) áp suất khí trời (p0) : ph  p0  d 0,622  d (9.5a) Sử dụng định nghĩa độ ẩm tương đối cơng thức (9.5a) xác định áp suất bão hòa (ph max) biết áp suất khí trời (p0), lượng chứa (d) độ ẩm tương đối () : PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 57 ph max  p0  d 0,622 d    (9.5b) 6) Nhiệt độ bão hòa đoạn nhiệt () - Khi sấy vật liệu ẩm khơng khí nóng, độ chứa khơng khí tăng lên nước bốc từ vật liệu ẩm Q trình gọi bốc đoạn nhiệt nhiệt lượng cần để bốc lấy từ khơng khí xung quanh Khi đó, nhiệt độ khơng khí giảm xuống Nhiệt độ bão hịa đoạn nhiệt () nhiệt độ khơng khí thời điểm khơng khí sấy trở thành khơng khí ẩm bão hịa 9.3 ĐỒ THỊ I - d CỦA KHƠNG KHÍ ẨM Để giải tốn khơng khí ẩm, yêu cầu phải xác định đại lượng đặc trưng khơng khí ẩm, sử dụng công thức với bảng đồ thị nước sử dụng đồ thị I - d 9.3.1 XÂY DỰNG ĐỒ THỊ I - d Trục tung đồ thị I - d enthalpy (I) trục hoành độ chứa (d) khơng khí ẩm Hai trục I d khơng vng góc với mà tạo với góc 135 để đường tách xa Tuy vậy, người ta vẽ đồ thị phần góc vng thứ Trên đồ thị I - d có đường sau : 1) Đường I = const Họ đường I = const đường thẳng nghiêng 135 0so với trục I (H 9.3a) 2) Đường d = const Họ đường d = const đường thẳng đứng (H 9.3a) 3) Đường t = const Trong vùng khơng khí ẩm chưa bão hịa đường thẳng Họ đường xây dựng sở công thức (9.4b) Thay t = const vào công thức (9.4b) ta quan hệ I = f(d) có dạng đường thẳng Do đó, với nhiệt độ cho, cần xác định enthalpy hai điểm tương ứng với d0 d1 Thường lấy d0 = cho nhiệt độ khơng khí ẩm giá trị t1, t2, t3, ta có họ đường t = const Ví dụ cho t = 0C ta I = r d = 2500 d [kJ/kg kk] Ứng với d1 ta có I = 2500 d1 biểu diễn đường ob (H 9.3b), độ lớn đoạn ab trị số r d1 theo tỷ lệ Tương tự, đường t = t1 = const biểu diễn đường thẳng ef Nếu vẽ thêm đường ec song song với ob ta thấy : oe = cpk t1 cf = cph t1 d1 af = I = f(d1) = cpk t1 + d1 (r + cph t1) PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 58 a) b) 55 65 75 85 I 45 t1 = const f 35 cph t1 d1 e 25 c b t=00 15 o r d1 0 10 30 50 70 80 a (d1) d [g h/ kg kkk] c) d d) 55 65 75 85 55 45 65 75 85 45 180 160 35 35 1400 120 25 25 100 80 15 15 60 40 75 20 00 50 25 0 10 30 50 d [g h/ kg kkk] 70 80 10 30 50 70 d [g h/ kg kkk] H 9.3 Xây dựng đồ thị I - d khơng khí ẩm PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 80 59 50 55 60 65 70 75 80 85 1900 45 1800 1700 40 1600 1500 35 1400 1300 30 1200 1100 25 1000 900 20 800 700 15 600 400 500 10 75 300 200 50 100 25 00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 d [g n- c / kg không khíkhô] 4) Đường  = const Trong vùng khơng khí ẩm chưa bão hòa nhiệt độ t < ts(p) đường cong có bề lồi hướng lên trên; vùng nhiệt độ t > ts (p) đường thẳng lên Đường  = 100 % chia đồ thị I - d thành hai vùng, vùng phía khơng khí ẩm chưa bão hịa, vùng phía khơng khí ẩm q bão hịa Các đường  = const xây dựng sở công thức (9.4b) I  c pk p0  d    t  d  2500 c ph  t  (9.5b)  ph max  0,622 d      PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 60 Giả sử cần xây dựng đường  = 1 = const, thay 1 vào (9.5b) ta có : p0  d ph max  (a) 0,621 d  1 Cho d = d1 vào cơng thức (9.6a) ta có : p0  d1 ph max1  0,621 d1   1 (b) Ứng với ph max1, tra bảng nước ta tìm nhiệt độ bão hòa tương ứng t1 Như vậy, giao điểm đường t = t1 đường d = d1 biểu diễn điểm đường  = 1 Tiếp tục thay d = d2 vào (a) ta tìm ph max2, tra bảng ta tìm nhiệt độ bão hịa tương ứng t2 Từ đó, ta có điểm đường  = 1 giao điểm đường t = t2 d = d2 Tương tự, với giá trị lượng chứa dn (n = 1, 2, 3, ) ta có tn (n = 1, 2, 3, ) tương ứng Nối giao điểm dn (n = 1, 2, 3, ) = const tn (n = 1, 2, 3, ) ta có đường cong  = 1 Theo (9.4c), giao điểm có In (n = 1, 2, 3, ) : In = cpk tn + dn (2500 + cph tn) (n = 1, 2, 3, ) (c) (5) Đường phân áp suất nước ph = f(d) Quan hệ phân áp suất nước (ph) với lượng chứa (d) biểu  diễn công thức (9.5a)  ph   p0  d   Để biểu diễn quan hệ đồ 0,622 d  thị I - d, ta đặt trục tung bên phải có đơn vị Pa mmHg Vì trị số d [kgh/kgk] nhỏ so với 0,622 nên quan hệ ph = f(d) xem tuyến tính 9.3.2 XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI CỦA KHƠNG KHÍ ẨM I IA A tA tsA D C E B phA dA ph max dA max d H 9.4 Xác định trạng thái khơng khí ẩm PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 61 Trạng thái khơng khí ẩm xác định biết thông số I, d, t, , Khi xác định trạng thái khơng khí ẩm đồ thị I - d ta xác định thơng số cịn lại Ví dụ : khơng khí ẩm có nhiệt độ tA , độ ẩm A Trạng thái khơng khí ẩm xác định điểm A (H 9.4) giao điểm tA A Từ ta tìm IA, dA Muốn tìm phân áp suất nước (ph) ta kẻ đường dA = const cắt đường ph = f(d) B từ xác định phA Tương tự theo đường tA = const cắt đường  = 100 % D tìm dA max theo đường dA max = const cắt đường ph = f(d) E tìm ph max 9.4 Q TRÌNH SẤY BẰNG KHƠNG KHÍ ẨM Q trình sấy q trình làm khơ vật liệu ẩm sấy (VLA), tức lấy phần toàn nước khỏi VLA Trong q trình sấy khơng khí ẩm, khơng khí đốt nóng tiếp xúc với VLA làm nước VLA bay Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt, trình bay nước từ VLA vào khơng khí xem q trình đoạn nhiệt, khơng khí nóng truyền nhiệt cho VLS lại nhận lượng nhiệt nước mang theo từ VLA Quá trình gọi trình sấy lý thuyết Q trình sấy khơng khí chia làm hai giai đoạn sau :  Giai đoạn đốt nóng khơng khí - Trong giai đoạn này, khơng khí nhận nhiệt thiết bị gọi calorifer, nhiệt độ khơng khí tăng từ t1 lên t2, độ ẩm tương đối () giảm, độ chứa d = const (H 9.5) I t2 t3 I2 = I 1 d1 d3 d H 9.5 Các giai đoạn sấy khơng khí PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 62  Giai đoạn sấy lý thuyết - Khơng khí đốt nóng tiếp xúc với VLA làm nước vật bay Đặc điểm giai đoạn I = const khơng khí nóng truyền nhiệt cho VLA lại nhận lượng nhiệt từ nước mang theo dạng nhiệt ẩn hóa (r) nhiệt vật lý (cph.t) Như vậy, khơng khí trước vào buồng sấy trạng thái có nhiệt độ t2 enthalpy I2 giai đoạn sấy lý thuyết diễn theo đường I = I2 = const Để xác định trạng thái khơng khí sau giai đoạn sấy lý thuyết (điểm 3), ta phải biết thêm thông số nữa, thường nhiệt độ sau trình sấy (t3) Nhiệt độ t3 chọn cho đủ thấp để tiết kiệm nhiệt lượng phải đủ cao để tránh tượng đọng sương Vì t phải lớn t1 nên q trình sấy lý thuyết ln có tổn thất nhiệt khơng khí mang Các đại lượng đặc trưng trình sấy :  Lượng nước thoát từ VLA : mn = d3 - d1 [kgh/kgk]  Lượng khơng khí khơ cần thiết để làm bay kg nước : Khí sấy, khơng khí nhận lượng nước từ VLA bốc lên : mk  d  d1 [kgk/kgh]  Lượng nhiệt cần để đốt nóng kg khơng khí khơ khơng khí ẩm q trình đốt nóng : q = I - I1 [kJ/kgk]  Lượng nhiệt cần để làm bay kg nước VLA : Q  mk  q  I  I1 d  d1 [kJ/kgh] NỘI DUNG ÔN TẬP 1) Định nghĩa phân loại khơng khí ẩm Các phương pháp biến khơng khí ẩm chưa bão hịa thành bão hịa 2) Các thơng số đặc trưng khơng khí ẩm (h, , d, I, ph, ph max) 3) Cấu trúc đồ thị I - d khơng khí ẩm 4) Phương pháp xác định thông số đặc trưng khơng khí ẩm đồ thị I - d 5) Mơ tả q trình sấy khơng khí đồ thị I - d PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013 63 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Bộ môn : Kỹ thuật nhiệt lạnh CHƯƠNG TRÌNH GIẢNG DẠY HỌC PHẦN Thơng tin học phần  Tên học phần : Nhiệt kỹ thuật  Số tín :  Đào tạo trình độ : Đại học  Giảng dạy cho lớp : 54-CB & 54-OTO  Phân bổ thời gian học phần :  Nghe giảng lý thuyết : 50 %  Làm tập lớp : 10 %  Thảo luận : 40 %  Thực hành, thực tập : 0%  Tự nghiên cứu: Sinh viên phải dành thời gian tự nghiên cứu 30 giờ/tín Thông tin giảng viên giảng dạy  Họ tên : Nguyễn Văn Nhận  Chức danh, học vị : Phó giáo sư, Tiến sỹ  Điện thoại : 090 516 2844  E-mail : vannhanck@yahoo.com  Các hướng nghiên cứu : Động nhiệt, Ơtơ hybrid Hình thức tổ chức dạy - học Diễn giảng thảo luận Tài liệu tham khảo TT Tên tác giả Tên tài liệu Bùi Hải Ng Văn Nhận Phạm Lê Dần Trần Văn Phú Ivo Streda William L Kỹ thuật nhiệt Nhiệt động kỹ thuật Bài tập sở Kỹ thuật nhiệt Tính toán thiết kế hệ thống sấy Zaklady Rovnovazne Termodynamiky Engineering Thermodynamics with Heat Transfer PGS TS Nguyễn Văn Nhận Năm xuất 2002 2012 2003 Nhà xuất KH & KT Giáo dục Thư viện E-mail Thư viện 2002 Giáo dục Thư viện 1998 TUL Liberec Cá nhân - - Cá nhân - Engineering Thermodynamics - Địa 2013 64 Đánh giá kết học tập TT Các tiêu đánh giá Tham gia học lớp Thảo luận Tự nghiên cứu Kiểm tra kỳ Kiểm tra cuối kỳ Thi kết thúc học phần Phương pháp đánh giá Quan sát, điểm danh Quan sát, Vấn đáp Vấn đáp Vấn đáp Viết Viết Trọng số (%) 50 50 GIẢNG VIÊN PGS TS Nguyễn Văn Nhận PGS TS Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2013