Báo cáo Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Nhiệt động lực học - Thái Đỗ Hương Trà

Nội dung text: Báo cáo Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Nhiệt động lực học - Thái Đỗ Hương Trà

1. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học MỤC LỤC 1. TRÍCH YẾU : 2 1.1 Mục đích thí nghiệm: 2 1.2 Kết quả thí nghiệm: 2 2 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM : 3 2.1Phân loại trạng thái không khí ẩm: 3 2.2 Các thông số đặc trưng cho không khí ẩm : 4 3 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM : 5 3.1 Mô hình thí nghiệm : 5 3.2 Mô tả sơ đồ: 5 4 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM : 6 5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM : 7 6 BÀN LUẬN : 12 7 PHỤ LỤC : 17 7.1 Xác định các thông số của không khí: 17 7.2 Xác định lưu lượng không khí chuyển động trong ống khí động : 17 7.3 Tính toán dàn lạnh : 18 7.4 Tính thiết bị sấy không khí : 18 8. TÀI LIỆU THAM KHẢO : 19 Trang 1
2. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học 1 36 32 18 23 42 31 39 37 2 2 36 32 18 23 40 30 40 38 3 36 32 18 24 41 31 40 38 1 36 32 23 24 40 30 38 37 2.7 2 36 32 23 24 41 31 40 38 3 36 32 23 24 41 31 40 38 1 36 32 25 24 39 31 38 37 3 2 36 32 26 25 40 32 39 37 3 36 32 26 25 40 31 39 38 Bảng 2: Các số liệu khác Hơi bão hoà Vận tốc ra của ống khí động v(m/s) 2.0 2.7 3.0 Mẫu đo lượng nước tách ra từ giàn lạnh v1( ml) 12 12 11 Thời gian lấy mẫu đo lượng nước t1(s) 30 30 30 Hơi quá nhiệt Vận tốc ra của ống khí động v(m/s) 2.0 2.7 3.0 Mẫu đo lượng nước tách ra từ giàn lạnh v1( ml) 11 12 12 Thời gian lấy mẫu đo lượng nước t1(s) 30 30 30 2 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM : 2.1 Phân loại trạng thái không khí ẩm: Các loại không khí ẩm:  Không khí ẩm chưa bão hòa : là loại không khí ẩm mà lượng hơi nước chứa trong đó chưa đến mức tối đa. Không khí ẩm chưa bão hòa còn có khả năng chứa thêm hơi nước. Trạng thái của hơi nước trong không khí ẩm chưa bão hòa là hơi quá nhiệt. Phần áp suất hơi nước trong không khí ẩm chưa bão hòa nhỏ hơn áp suất bão hòa của hơi nước ứng với nhiệt độ không khí ẩm (Ph < Phs).  Không khí ẩm bão hòa : là không khí ẩm mà lượng hơi nước đã chứa tới mức tối đa tức là Gh = Ghmax. Trong không khí ẩm bão hòa trạng thái của hơi nước là hơi bão hòa khô, như vậy phần áp suất của hơi nước trong không khí ẩm bão hòa bằng áp suất bão hòa của hơi nước ứng với nhiệt độ không khí ẩm (Ph = Phs). Trang 3
3. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học Phân loại trạng thái hơi nước :  Hơi nước bão hòa : khi chất lỏng bay hơi ở nhiệt độ sôi tạo nên một áp suất hơi trên bề mặt chất lỏng, áp suất này tăng dần cho đến một giá trị xác định Pbh. Lúc này có sự cân bằng động: bao nhiêu lỏng bốc hơi sẽ có bấy nhiêu lỏng ngưng tụ.Ta nói: hơi nước đạt trạng thái bão hoà.  Hơi quá nhiệt : chính là hơi nước bão hòa được gia nhiệt làm tăng nhiệt độ nhưng áp suất hơi không đổi. 3. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM : 3.1 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. 3.2 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. Trang 5
4. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học 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. 5. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM : Bảng 3: Các thông số của không khí ẩm trước dàn lạnh (môi trường) Vận tốc gió tại Nhiệt Nhiệt Độ ẩm đầu ra Độ chứa Lần Trạng thái độ bầu độ bầu tương Enthalpy i của ống 1 hơi d hơi khô t ướt t đối (kJ/kg) 1 khí đo k ư 1 (kg/kg) (oC) (oC) (%) động v (m/s) Bão hòa 36 32 75.67 110.36 0.0289 1 Quá nhiệt 36 32 75.67 110.36 0.0289 Bão hòa 35 31 75.28 104.78 0.0271 2 2 Quá nhiệt 36 32 75.67 110.36 0.0289 Bão hòa 36 32 75.67 110.36 0.0289 3 Quá nhiệt 36 32 75.67 110.36 0.0289 Bão hòa 36 32 75.67 110.36 0.0289 1 Quá nhiệt 36 32 75.67 110.36 0.0289 Bão hòa 36 31 70.15 104.73 0.0276 2.7 2 Quá nhiệt 36 32 75.67 110.36 0.0289 Bão hòa 36 32 75.67 110.36 0.0289 3 Quá nhiệt 36 32 75.67 110.36 0.0289 Trang 7
5. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học Bảng 5: Các thông số của không khí ẩm trước vòi phun hơi( sau thiết bị sấy ) Vận tốc gió tại Nhiệt Nhiệt Độ ẩm Độ chứa đầu ra Lần Trạng thái độ bầu độ bầu Enthalpy i tương đối 1 hơi d của ống hơi khô t ướt t (kJ/kg) 1 đo k ư (%) (kg/kg) khí động (oC) (oC) 1 v (m/s) Bão hòa 42 29 38.55 93.89 0.0200 1 Quá nhiệt 42 31 40.09 104.39 0.0241 Bão hòa 40 29 44.61 93.99 0.0209 2 2 Quá nhiệt 40 30 48.72 99.13 0.0228 Bão hòa 39 31 56.83 104.56 0.0254 3 Quá nhiệt 41 31 49.42 104.45 0.0245 Bão hòa 40 30 48.72 99.13 0.0228 1 Quá nhiệt 40 30 48.72 99.13 0.0228 Bão hòa 40 31 52.99 104.5 0.0250 2.7 2 Quá nhiệt 41 31 49.42 104.45 0.0245 Bão hòa 41 32 53.63 110.07 0.0267 3 Quá nhiệt 41 31 49.42 104.45 0.0245 Bão hòa 38 30 65.9 110.24 0.028 1 Quá nhiệt 39 31 56.83 104.56 0.0254 Bão hòa 39 31 56.83 104.56 0.0254 3 2 Quá nhiệt 40 32 57.44 110.13 0.0271 Bão hòa 39 31 56.83 104.56 0.0254 3 Quá nhiệt 40 31 52.99 104.5 0.0250 Trang 9
6. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học Bảng 7: Các giá trị tính toán Lưu Lượng Vận lương Lượng Năng nước tốc gió Khối không nước Phụ tải suất tách ra tại đầu lượng khí tách ra nhiệt của lạnh từ dàn ra của Lần Trạng riêng của chuyển từ dàn thiết bị của lạnh ống đo thái hơi không động lạnh theo sấy không dàn theo khí khí trong lý thuyết khí Q lạnh Q thực tế động v (kg/m3) ống khí o G (kW) (kW) nước G’ (m/s) động G (kg/h) nước kk (kg/h) (kg/s) Bão hòa 1.142 0.0329 1.74545 1.8352 1.44 1.2038 1 Quá nhiệt 1.142 0.0329 1.95858 1.9892 1.44 1.7622 Bão hòa 1.146 0.033 1.88556 2.0318 1.44 1.5294 2 2 Quá nhiệt 1.142 0.0329 1.95858 1.9892 1.32 1.5892 Bão hòa 1.142 0.0329 1.85695 2.0365 1.32 1.6662 3 Quá nhiệt 1.142 0.0329 1.96285 2.1904 1.32 1.7685 Bão hòa 1.142 0.0444 1.87017 1.7902 1.44 1.3715 1 Quá nhiệt 1.142 0.0444 1.87194 1.8542 1.56 1.3733 Bão hòa 1.142 0.0444 1.44561 1.3906 1.44 1.4355 2.7 2 Quá nhiệt 1.142 0.0444 1.87194 1.8542 1.44 1.6095 Bão hòa 1.142 0.0444 1.69567 1.5984 1.44 1.6828 3 Quá nhiệt 1.142 0.0444 1.87194 1.8542 1.44 1.6095 Bão hòa 1.146 0.0495 1.61691 1.5506 1.32 1.8872 1 Quá nhiệt 1.142 0.0493 1.88655 1.8648 1.44 1.6004 Bão hòa 1.142 0.0493 1.68428 1.6517 1.32 1.3981 3 2 Quá nhiệt 1.142 0.0493 1.68428 1.6517 1.44 1.6729 Bão hòa 1.142 0.0493 1.6823 1.5807 1.44 1.3962 3 Quá nhiệt 1.142 0.0493 1.68428 1.6517 1.56 1.3952 Công suất thực tế của dàn lạnh: Qo’ = 1 Hp = 746 (W) = 0,746 (kW) Lượng nhiệt do dòng điện cung cấp qua điện trở: - Một điện trở: Q’ = 1 (kW) - Hai điện trở: Q’ = 2 (kW) Trang 11
7. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học 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 cụng chính là nhiệt độ của không khí chính là nhiệt độ của không khí vì bầu thuỷ 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 Trang 13
8. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học 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) p m A.B (t t ư ) (8) p b p b 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: D C A D’ B’ B Hình 4 : Giản Đồ biểu diễn sự thay đổi trạng thái của khơng khí khi đi qua ống khí động theo thực tế  Khi đi qua dàn lạnh (AB’, B’B) : 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.Tuy nhiên với tốc độ gió 2.7 m/s, trường hợp nhận thêm hơi bão hòa, thì trạng thái không khí khá giống với lý thuyết, tức là lúc này không khí ở trạng thái bão hòa. Nguyên nhân 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. Giá trị đo nhiệt độ bầu khô và bầu ướt tại ví trí sau dàn lạnh không chính xác. Với quá trình này ta thấy vẫn tốc gió có ảnh hưởng tới kết quảù thí nghiệm. Trang 15
9. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học Khi thay đổi chế độ hoạt động bằng cách thay đổi vị trí cửa gió, tăng hoặc giảm lượng hơi phun vào thì ảnh hưởng không đáng kể đến sự thay đổi trạng thái của không khí khi đi qua ống khí động. 7. PHỤ LỤC : 7.1 Xác định các thông số của không khí: Trên giản đồ i – d, căn cứ vào nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt kế ướt, ta xác định độ ẩm tương đối (%), enthalpy i (kJ/kg) và độ chứa hơi d (kg/kg) của không khí tại các điểm. Từ nhiệt độ tư gióng theo đường t = const, cắt đường = 1 tại điểm A. Đường i = const qua A cho ta biết giá trị i của trạng thái không khí cần xác định. 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. Từ B kẻ 1 đường thẳng vuông góc với trục d, từ đó ta xác định được giá trị d. 7.2 Xác định lưu lượng không khí chuyển động trong ống khí động : Lưu lượng trọng lượng Gkk (kg/s) của không khí chuyển động trong ống khí động có thể được xác định bằng công thức sau đây: Gkk = v.F. (9) Trong đó: ▪ v: vận tốc gió đo tại đầu vào của ống khí động (Bảng 1), m/s ▪ F = 0,0144 m2: diện tích miệng ra của ống khí động. ▪ : khối lượng riêng của không khí (Bảng 7), kg/m 3 Trong trường hợp này, được xác định theo nhiệt độ t (oC) của nhiệt kế khô tại đầu vào ống khí động. Trang 17
10. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học ▪i 2 và i3: enthalpy của không khí vào và ra khỏi thiết bị sấy nóng không khí (Bảng 3 và Bảng 4), kJ/kg 1.1.5. Lương nhiệt do dòng điện cung cấp qua điện trở : Q’= 1kW (một điện trở) Q’= 2kW (hai điện trở) 8. TÀI LIỆU THAM KHẢO : [1]. Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học & Thực phẩm – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr. [2]. Trần Văn Phú, “Tính toán và thiết kế hệ thống sấy”, Nhà xuất bản Giáo dục, 2002, 360tr. Trang 19