Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Nhiệt động lực học - Bài 1

Nội dung text: Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Nhiệt động lực học - Bài 1

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 2.1 Phân loại trạng thái không khí ẩm 3 2.2 Các thông số đặc trưng cho không khí ẩm 3 2.3 Phân loại trạng thái hơi nước 4 3. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 4 3.1 Mô hình thí nghiệm 4 3.2 Mô tả sơ đồ 4 4. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 5 5. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 6 6. BÀN LUẬN 11 7. PHỤ LỤC 15 7.1 Xác định các thông số của không khí 15 7.2 Xác định lưu lượng không khí chuyển động trong ống khí động 16 7.3 Tính toán dàn lạnh 16 7.4 Tính thiết bị sấy không khí 17 8. TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 Trang 1
2. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học Bảng 2: Các số liệu khác Vận tốc ra của ống khí động v(m/s) 1,7 2,3 2,73 Mẫu đo lượng nước tách ra từ giàn lạnh v1( ml) 23 21 20 Thời gian lấy mẫu đo lượng nước t1(s) 60 60 60 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).  Không khí ẩm quá bão hòa : là loại không khí ẩm mà lượng hơi nước đã chứa tới mức tối đa và còn chứa thêm cả nước ngưng tụ. Nếu nhiệt độ thấp dưới 0oC sẽ có băng và tuyết. Trạng thái của hơi nước trong không khí ẩm quá bão hòa là hơi bão hòa ẩm. 2.2. Các thông số đặc trưng cho không khí ẩm : THÔNG KÝ ĐƠN VỊ SỐ HIỆU ĐỊNH NGHĨA - Là tỷ số giữa lượng ẩm có trong không khí với lượng ẩm tối đa có thể chứa được ở cùng nhiệt độ và áp suất. Độ ẩm Ph h % 100% 100% tương đối Pbh bh Ph, Pbh : áp suất hơi riêng phần và áp suất hơi bão hòa của nước ở cùng nhiệt độ. Kg ẩm/ - Là lượng ẩm chứa trong 1 kg không khí khô. Hàm ẩm kg M P 18 P (độ ẩm x (d,y) x h h bh không M P P 29 P P tuyệt đối) kkk h bh khí khô H = Ckkk.t + (r + Cht).x = t + (2493 + 1,97t).x KJ/ kg Ckkk = 1 kJ/kg.độ : nhiệt dung riêng của kkk Nhiệt H (I) không o hàm t ( C) : nhiệt độ của không khí khí khô r = 2493 kJ/kg.độ : nhiệt hóa hơi của nước ở 0oC Ch = 1,97 kJ/kg.độ : nhiệt dung riêng của hơi nước o Nhiệt độ t (tk, ) C - Xác định nhiệt độ của không khí bằng nhiệt kế thông Trang 3
3. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học 6 2 1 7 8 7 8 7 8 7 8 9 4 5 3 Hình 1: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nhiệt động lực học Hình 1 : Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nhiệt động lực học 1. Quạt gió 2. Ống khí động 1. Quạt gió3. Máy lạnh 2. Ống4. khíDàn động lạnh 3. Máy lạnh5. Thiết bị sấy nóng không khí bằng điện trở 4. Dàn6. lạnhVòi phun hơi 7. Nhiệt kế bầu khô 8. Nhiệt kế bầu ướt 5. Thiết bị9 sấy. Đo ànnóngg hồ đ khôngo vận to khíác gio bằngù điện trở 6. Vòi phun hơi 7. Nhiệt kế bầu khô 8. Nhiệt kế bầu ướt 9. Đồng hồ đo vận tốc gió 4. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM : Trong bài thí nghiệm này, sinh viên phải thực hiện các công việc như sau: 1) 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. 2) 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.  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. Trang 5
4. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học Bảng 4: Các thông số của không khí ẩm trước thiết bị sấy( sau dàn lạnh) Vận tốc gió tại Độ ẩm Nhiệt độ Nhiệt độ Enthalpy Độ chứa đầu ra Trạng thái tương Lần bầu khô bầu ướt i hơi d của ống hơi đối 2 2 đo t (oC) t (oC) 1 (kJ/kg) (kg/kg) khí động k ư (%) v (m/s) Bão hòa 30 27 79.76 85.00 0.0214 1 Quá nhiệt 30 26 71.82 79.89 0.0194 Bão hòa 31 27 73.40 85.00 0.0211 1,7 2 Quá nhiệt 29 26 77.95 79.89 0.0196 Bão hòa 31 28 80.61 90.00 0.0230 3 Quá nhiệt 28 26 84.59 79.89 0.0204 Bão hòa 32 29 79.20 93.68 0.0240 1 Quá nhiệt 30 28 85.32 90.00 0.0232 Bão hòa 32 29 79.20 93.68 0.0240 2,3 2 Quá nhiệt 30 28 85.32 90.00 0.0232 Bão hòa 32 29 79.20 93.68 0.0240 3 Quá nhiệt 29 28 92.21 90.00 0.0237 Bão hòa 29 26 76.68 79.89 0.0196 1 Quá nhiệt 30 29 90.35 93.68 0.0246 Bão hòa 32 29 79.20 93.68 0.0240 2,73 2 Quá nhiệt 31 29 84.00 93.68 0.0242 Bão hòa 31 29 84.00 93.68 0.0242 3 Quá nhiệt 31 30 93.27 100.00 0.0267 Trang 7
5. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học Bảng 6: Các thông số của không khí ẩm sau vòi phun hơi( thải ra ngoài ) Vận tốc gió tại Độ ẩm Nhiệt độ Nhiệt độ Enthalpy Độ chứa đầu ra Trạng thái tương Lần bầu khô bầu ướt i hơi d của ống hơi đối 4 4 đo t (oC) t (oC) 1 (kJ/kg) (kg/kg) khí động k ư (%) v (m/s) Bão hòa 54 46 64.85 223.50 0.0652 1 Quá nhiệt 59 47 51.60 230.50 0.0667 Bão hòa 57 48 61.47 245.56 0.0729 1,7 2 Quá nhiệt 62 54 66.52 334.65 0.1041 Bão hòa 61 49 52.59 259.76 0.0759 3 Quá nhiệt 63 52 56.20 300.18 0.0905 Bão hòa 55 47 62.65 230.50 0.0673 1 Quá nhiệt 55 45 56.06 210.87 0.0591 Bão hòa 57 49 65.98 259.76 0.0791 2,3 2 Quá nhiệt 55 44 53.61 202.03 0.0564 Bão hòa 56 50 72.96 274.75 0.0840 3 Quá nhiệt 56 45 52.82 210.87 0.0588 Bão hòa 53 45 61.45 210.87 0.0594 1 Quá nhiệt 55 47 62.65 230.50 0.0673 Bão hòa 56 47 60.95 230.50 0.0670 2,73 2 Quá nhiệt 56 45 52.82 210.87 0.0588 Bão hòa 56 47 60.45 233.75 0.0681 3 Quá nhiệt 55 45 56.06 210.87 0.0591 Trang 9
6. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học 6. 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.  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 (AB): 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 (BC): 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 Trang 11
7. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học 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: q1 = q2 (1) Theo lý thuyết truyền nhiệt thì: q1 = (t – tư) (2) Và : q2 = qm.r (3) 2 2 Trong đó (W/m .K) là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên, qm (kg/m .s) là cường độ bay hơi và r là nhiệt ẩm hóa hơi. 2 Cường độ bay hơi qm (kg/m .s) có thể tính gần đúng theo công thức Dalton qua hệ số 2 bay hơi m (kg/m .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: 760 q (p p ) m m m a B 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: 1,013 q (p p ) (4) m m m a B Thay giá trị của q1 theo (2) và q2 (hay qm) theo (3), (4) vào (1) chúng ta được: pm – pa = B(t – tư) = A.B.( t – tư) (5) m .1,013.r Trong đó: A = (6a) m .1,013.r 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 hệ số A xác định theo công thức sau: 6,75 A 65 .10 5 (6b) V Từ (5) có thể rút ra phân áp suất pa của hơi nước : pa = pm – A.B.(t – tư) (7) p Mà: = a p b 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) Trang 13
8. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học Câu 4 : So sánh các giá trị tính toán theo lý thuyết và thực tế.  Năng suất lạnh của dàn lạnh : - Theo lý thuyết: Qo = (1,3  1,8) kW - Thực tế: Qo’ = 0,746 kW - Giá trị tính toán theo lý thuyết lớn hơn so với năng suất lạnh thực sự của máy. Đó là do có sự mất mát nhiệt ra môi trường xung quanh, làm cho nhiệt lượng mà không khí tỏa ra lớn hơn nhiệt lượng mà dàn lạnh nhận được.  Lượng nước tách ra từ dàn lạnh : - Theo lý thuyết: Gnước = (1,3  1,7) kg/h - Thực tế: G’nước = (1,2  1,6) kg/h Giá trị tính toán theo lý thuyết xấp xỉ bằng với giá trị thực tế.  Lượng nhiệt do thiết bị sấy cung cấp : - Theo lý thuyết: Q = (1,0  1,4) kW - Thực tế: Q’ = 2 kW Giá trị tính toán theo lý thuyết nhỏ hơn so với thực tế. Đó là do có sự mất mát nhiệt ra môi trường xung quanh, làm cho nhiệt lượng mà không khí nhận được nhỏ hơn nhiệt lượng do thiết bị sấy cung cấp. Câu 5 : Nguyên nhân dẫn đến sai số giữa thực tế và lý thuyết. - Sai số do đọc nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt trên đồng hồ hiện số: các số hiện trên đồng hồ hiện số thường không ổn định mà dao động trong khoảng 1  2oC nên số đọc được không chính xác lắm. - Sai số do đo lưu lượng nước ngưng: do đọc thể tích trên ống đong và bấm thời gian chưa chính xác. - Sai số do thiết bị: lưu lượng khí vào không ổn định, thiết bị không được cách nhiệt và cách ẩm tuyệt đối với môi trường xung quanh, - Sai số do tính toán: sai số do việc tra các giá trị , i, d trên giản đồ i – d. Câu 6 : Aûnh hưởng của các chế độ thí nghiệm đến sự thay đổi trạng thái của không khí ẩm. 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. Trang 15
9. Thí nghiệm quá trình thiết bị Nhiệt động lực học ▪G kk: lưu lượng trọng lượng của không khí chuyển động trong ống khí động, được xác định theo công thức (1), kg/s ▪i 1 và i2: enthalpy của không khí vào và ra khỏi dàn lạnh (Bảng 2 và Bảng 3) , kJ/kg 7.3.2. Lượng nước tách ra từ dàn lạnh theo tính toán lý thuyết Gnước : Gnước = 3600. Gkk. (d2 – d1), kg/h (11) Trong đó: ▪d 1 và d2: độ chứa hơi của không khí vào và ra khỏi dàn lạnh (Bảng 2 và Bảng 3), kg/kg 7.3.3. Lượng nước thực tế tách ra từ dàn lạnh G’nước : , 0,06.V1 G nước , kg/h (12) 1 Trong đó: ▪V 1: mẫu đo lượng nước tánh ra từ dàn lạnh (Bảng 1), ml ▪ 1: thời gian lấy mẫu đo lượng nước nói trên (Bảng 1), phút Với:  (s)  (phút) 1 1 60 7.4. Tính thiết bị sấy không khí : 7.4.1. Phụ tải nhiệt của thiết bị sấy không khí Q : Q = Gkk. (i3 – i2), kW (13) Trong đó: ▪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 7.4.2. 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 17