Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Nhiệt động lực học - Bài 2

Nội dung text: Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Nhiệt động lực học - Bài 2

1. Thí nghiệm Quá trình - Thiết bị Nhiệt động lực học 1. TRÍCH YẾU : 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. Kết quả thí nghiệm: Bảng 1: Số liệu thô Vận tốc Điểm 1 Điểm 2 Điểm 3 Điểm 4 Thể Thời gió tại Trước Trước Trước Sau vòi tích gian đầu ra Trạng thái dàn thiết bị vòi phun nước nước của ống hơi lạnh sấy phun hơi ngưng ngưng khí động hơi V1 1 (s) v (m/s) tk tư tk tư tk tư tk tư (ml) Bão hòa 33 30 22 22 37 30 36 35 23 60 2,73 Quá nhiệt 33 29 21 20 36 29 36 36 22 60 Bão hòa 33 29 20 20 38 30 37 37 23 59 2,3 Quá nhiệt 33 29 20 19 37 30 39 37 22 60 Bão hòa 33 29 17 17 39 30 38 37 23 65 1,7 Quá nhiệt 33 30 19 18 39 30 38 37 20 60 2. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM : 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. Các thông số đặc trưng cho không khí ẩm : THÔNG KÝ ĐƠN VỊ ĐỊNH NGHĨA SỐ HIỆU Độ ẩm % - Là tỷ số giữa lượng ẩm có trong không khí với lượng Trang 1
2. Thí nghiệm Quá trình - Thiết bị Nhiệt động lực học 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. 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 Trang 3
3. Thí nghiệm Quá trình - Thiết bị Nhiệt động lực học Bảng 3: 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 bầu khô bầu ướt i hơi d của ống hơi đối 2 2 t (oC) t (oC) 2 (kJ/kg) (kg/kg) khí động k ư (%) v (m/s) Bão hòa 22 22 1,00 62,79 0,0160 2,73 Quá nhiệt 21 20 0,90 56,51 0,0140 Bão hòa 20 20 1,00 54,42 0,0150 2,3 Quá nhiệt 20 19 0,95 53,58 0,0137 Bão hòa 17 17 1,00 46,05 0,0120 1,7 Quá nhiệt 19 18 0,90 50,23 0,0130 Bảng 4: Các thông số của không khí ẩm trước vòi phun hơi (sau thiết bị sấy) Vận tốc gió tại Độ ẩm Nhiệt độ Nhiệt độ Enthalpy Độ chứa đầu ra Trạng thái tương bầu khô bầu ướt i hơi d của ống hơi đối 3 3 t (oC) t (oC) 3 (kJ/kg) (kg/kg) khí động k ư (%) v (m/s) Bão hòa 37 30 0,60 100,46 0,0242 2,73 Quá nhiệt 36 29 0,60 92,28 0,0230 Bão hòa 38 30 0,56 100,46 0,0240 2,3 Quá nhiệt 37 30 0,60 100,46 0,0242 Bão hòa 39 30 0,51 100,46 0,0230 1,7 Quá nhiệt 39 30 0,51 100,46 0,0230 Bảng 5: 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 bầu khô bầu ướt i hơi d của ống hơi đối 4 4 t (oC) t (oC) 4 (kJ/kg) (kg/kg) khí động k ư (%) v (m/s) Bão hòa 36 35 0,92 129,77 0,037 2,73 Quá nhiệt 36 36 1.00 138,14 0,039 Bão hòa 37 37 1.00 142.32 0,041 2,3 Quá nhiệt 39 37 0.90 142.32 0,040 Bão hòa 38 37 0,90 142.32 0,0395 1,7 Quá nhiệt 38 37 0,90 142.32 0,0395 Trang 5
4. Thí nghiệm Quá trình - Thiết bị Nhiệt động lực học  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 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 Trang 7
5. Thí nghiệm Quá trình - Thiết bị Nhiệt động lực học 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) 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: Trang 9
6. Thí nghiệm Quá trình - Thiết bị Nhiệt động lực học  Lượng nhiệt do thiết bị sấy cung cấp : - Theo lý thuyết: Q = 1 kW - Thực tế: Q’ = (1,4-1,8) 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 : 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. i < 1 B = 1 tk tư A i = const d Hình 5 : Cách xác định các thông số của không khí thông qua nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt Trang 11
7. Thí nghiệm Quá trình - Thiết bị Nhiệt động lực học ▪d 1 và d2: độ chứa hơi của không khí vào và ra khỏi dàn lạnh (Bảng 2 và Bảng 3), kg/kg 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 Tính thiết bị sấy không khí : 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 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 13