Báo cáo thí nghiệm bài số 5 nhiệt động lực học

Không khí ẩm trong điều kiện đẳng nhiệt thể hiện trạng thái: Không khí khô: Hơi nươc: kk – khối lượng riêng của không khí khô, kg/m3.. Khái niệm về trạng thái bão hòa hơi nước: tại điều

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI SỐ 5 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Nghiên cứu xác định các thông số trạng thái của môi trường không khí

ẩm xung quanh ta khi thay đổi nhiệt độ và hàm ẩm

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các khái niệm cơ bản

Không khí khô của môi trường khí quyển gồm 78% khí Nitơ, 21% khí oxy

và 1% các khí trơ theo thể tích Không khí được xem là khí lý tưởng

Nước bay hơi vào môi trường không khí tồn tại dưới dạng hơi cùng với không khí khô tạo thành hỗn hợp không khí ẩm vì vậy môi trường không khí xung quanh ta đượ gọi là không khí ẩm theo định luật Dalton viết được :

Trong đó:

pa – áp suất của khí quyền, có giá trị là 1 at

pkk – áp suất riêng phần của không khí trong không khí ẩm

ph – áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm

Không khí ẩm thể hiện nhiều thông số, trong đó có 4 thông số trạng thái rất

quan trọng:

 Nhiệt độ - chỉ trạng thái đốt nóng của không khí và được gọi là nhiệt độ bầu

khô

 Hàm ẩm – chỉ lượng hơi nước chứa trong không khí.

 Độ ẩm – chỉ mức độ bão hòa của hơi nước trong không khí.

 Enthalpy – chỉ lượng nhiệt chứa trong không khí.

Không khí ẩm tuân theo các định luật của khí lý tưởng

Không khí ẩm trong điều kiện đẳng nhiệt thể hiện trạng thái:

Không khí khô:

Hơi nươc:

kk – khối lượng riêng của không khí khô, kg/m3

h – khối lượng riêng của hơi nước trong không khí, kg/m3

T – nhiệt độ của không khí, K

Rkk – hằng số khí của không khí khô, J/kg.K (Rkk  287,14 J/kg.K)

Rh – hằng số khí của hơi nước, J/kg.K (Rh = 461,51 J/kg.K)

Khối lượng riêng của không khí khô được biểu diễn phụ thuộc vào nhiệt

độ và áp suất:

Mk = 29 – khối lượng phân tử không khí

t – nhiệt độ không khí, 0C (nhiệt độ bầu khô)

p0 – áp suất không khí ở điều kiện tiêu chuẩn

p – áp suất không khí ở điều kiện đang xét

Thông thường đối với khí quyển, có thể xem

Giá trị kk phụ thuộc vào nhiệt độ có thể tra trong các bảng tính sẵn hoặc tính theo công thức

Khối lượng riêng của hơi nước h phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất cũng được tra trên giản đồ hoặc trong các bảng tính sẵn

2.2 Trạng thái của không khí ẩm:

2.2.1 Hàm ẩm của không khí: d h ,kg/kg

dh ,(kg/kg) là khối lượng hơi nước chứa trong 1 kg không khí khô

Rút ra:

pa – áp suất khí quyển, ( áp suất của hỗn hợp không khí ẩm)

– độ ẩm tương đối của không khí, %

pb – áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ đã cho của không khí (T = 273 + t)

2.2.2 Độ ẩm tương đối của không khí

Khái niệm về độ ẩm tuyệt đối: độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm là khối lượng hơi nước chứa trong 1 m3 không khí ẩm ký hiệu : h , kg/m3 Theo định nghĩa này thì độ ẩm tuyệt đối chính là khối lượng riêng của hơi nước trong không khí

Khái niệm về trạng thái bão hòa hơi nước: tại điều kiện nhiệt độ và áp suất xác

định, khối lượng hơi nước tối đa chứa trong 1 m3 không khí thể hiện trạng thái bão hòa Ký hiệu: b , kg/m3

Độ ẩm tương đối của không khí ẩm: chỉ mức độ bão hòa hơi nước trong không

khí tại điều kiện nhiệt độ và áp suất đã cho:

Khi thì không khí đạt trạng thái bão hòa hơi nước

Từ đây rút ra:

Khối lượng riêng của không khí ẩm: k ,kg/m3

suy ra:

Hoặc

0 , T0 – khối lượng riêng và nhiệt độ của không khí khô ở điều kiện chuẩn

2.2.3 Entanpi của không khí ẩm : I , kJ/kg

Là lượng nhiệt chứa trong 1kg không khí khô ở điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định

Ikk – entanpi của không khí khô, Ikk = Ck.t

Ib – entanpi của hơi nước, Ih = L(0) + Ch.t

L(0) - ẩn nhiệt bay hơi của nước ở 00C

Ch – nhiệt dung riêng của hơi nước ở nhiệt độ và áp suất đang xét, kJ/kg.K

Ck – nhiệt dung riêng của không khí khô, kJ/kg.K

Có thể xem :

L(0) = 2500 kJ/kg

Ch = 1 kJ/kg.K

Ck = 1,84 kJ/kg.K

Và có công thức xác định entanpi của không khí ẩm:

Ik = t + (2500 +1,84.t)dh , kJ/kg Entanpi Ik của không khí ẩm có thể tra theo bảng số tính sẵn hoặc có thể xác định trên giản đồ không khí ẩm, hoặc tình theo công thức trên

2.2.4 Nhiệt độ:

Nhiệt độ bầu khô: chỉ mức độ đốt nóng của không khí t (0C) , t(K)

Nhiệt độ bầu ướt: tư là nhiệt độ tương ứng với trạng thái xác định của không khí, chỉ rõ khả năng cấp nhiệt của không khí để làm bay hơi nước cho đến khi bão hòa hơi nước trong không khí

Hiệu số của nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt đặc trưng cho thế bay hơi nước vào môi trường không khí:

t = t – tư Dựa theo t suy ra độ ẩm tương đối của không khí ẩm

2.3 Sự làm lạnh không khí ẩm:

Nhiệt độ điểm sương ts là nhiệt độ chỉ rõ trạng thái hoàn toàn bão hòa hơi nước trong không khí ( ), và nếu tiếp tục làm lạnh đến tư < ts hơi nước trong không khí sẽ ngưng tụ thành nước (giả sử có sự ngưng tụ hoàn toàn) Lượng hơi nước tách ra khi làm lạnh là:

Gn = Gk (dhs – dhư) , kg

Gn – khối lượng nước ngưng, kg

Gk – khối lượng không khí được làm lạnh, kg

Dhs – hàm ẩm bão hòa của không khí tại nhiệt độ điểm sương ts , kg/kg

Dhư – hàm ẩm bão hòa của không khí tại nhiệt độ bầu ướt tư , kg/kg

Nhiệt lượng để làm lạnh không khí:

Q1 = Qk (I0 – I1) Đốt nóng không khí ẩm gián tiếp (không có sự gia tăng hàm ẩm) thì nhiệt độ không khí tăng còn hàm ẩm dh = const khi nhiệt độ tăng khối lượng riêng hơi bão hòa b tăng, tức khả năng chứa hơi của không khí tăng, do đó hàm ẩm không khí giảm, và entanpi I tăng

Lượng nhiệt cần để đốt nóng:

Qđ = Gk (I2 – I1), kJ/h

Hòa trộn hơi bão hòa khô: lượng hơi nước bão hòa khô có nhiệt độ xác

định th được hòa trộn với không khí, được xác định:

Nh = Gkk (dh2 – dh1) , kg/h

Nh – khối lượng hơi nước bão hòa khô với nhiệt độ th cần hòa trộn, kg/h.

Gkk – khối lượng không khí khô đem hòa trộn, kg/h

Dh1 – hàm ẩm của trạng thái không khí ẩm trước hòa trộn, kg/kg

Dh2 – hàm ẩm của trạng thái không khí ẩm sau hòa trộn, kg/kg

Hòa trộn hơi bão hòa ẩm: hơi bão hòa ẩm đặc trưng bằng độ khô X và

độ ẩm (1-X) độ khô của hơi đi vào hàm ẩm không khí, còn độ ẩm của hơi vào không khí dạng mù (sương)

Lượng hơi ẩm hòa trộn được tính :

Phần ẩm dưới dạng sương mù trong không khí ẩm:

III THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

3.1 Mô hình thí nghiệm

Sơ đồ nguyên lý của mô hình thí nghiệm được biểu diễn trên hình sau đây 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 (2) có cửa điều chỉnh lưu lượng thổi qua ống khí động (1), trong ống không khí lần lượt được làm lạnh trong giàn lạnh (5), sau đó được sấy nóng bằng điện trở (6), sau đó được làm ẩm bởi vòi phun hơi (7) 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 (3) và nhiệt kế bầu ướt (4) để đo nhiệt độ tại các giai đoạn có thay đổi Tại đầu ra của ống khí động có đặt đồng

hồ đo vận tốc gió để xác định lưu lượng gió thổi qua ống Phía dưới dàn lạnh (5) có đặt dụng cụ đo thể tích nhằm xác định lưu lượng nước ngưng tụ từ không khí bị làm lạnh

IV PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

Trong bài thí nghiệm này, sinh viên phải thực hiện những công việc sau: 1) Xác định trạng thái không khí bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm của không khí tại các vị trí trước dàn lạnh (5) (cũng chính là trạng thái của không khí ở môi trường xung quanh), trước thiệt bị sấy nóng không khí (6) (sau dàn lạnh 5), trước vòi phun hơi (7) và sau dàn phun hơi (thải ra ngoài trời)

Từ các số liệu đo được, sinh viên phải vẽ các quá trình thay đổi trạng thái của không khí trên giản đồ i-d và trên cơ sở đó sinh viên xác định được 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 công việc như: xác định lưu lượng gió thổi qua ống, xác định năng suất lạnh của dàn lạnh và phụ tải nhiệt của thiết bị sấy

1) Bật nút công tắc tổng

2) Bật quạt thổi khí (2) và điều chỉnh lưu lượng không khí vào bằng cách đóng/ mở cửa hút

3) Bật công tắc máy lạnh

4) Bật công tắc điện trở gia nhiệt nồi tạo hơi (11), lúc này van 9 để ở vị trí cho dòng hơi thông về bình chứa (12)

5) Bật nút điều khiển điện trở sấy nóng không khí

6) Theo dõi khi có nước ngưng tụ ở dàn lạnh (5) và có hơi thoát ở bình chứa (12), mở van hơi 8, để hệ thống chạy khoảng 2 phút nhằm đạt độ

ổn định Lần lượt đo nhiệt độ bầu khô (3), nhiệt độ bầu ướt (4) tại các vị trí Dùng ống đong để đo thể tích nước ngưng tụ sau van 10 trong

khoảng thời gian 1 phút

7) Bật công tắc điện trở cho hơi quá nhiệt Để hệ thống tiếp tục chạy khoảng 2 phút nhằm đạt độ ổn định và cũng tiến hành đo như trên

8) Thay đổi chế độ hoạt động khác bằng cách thay đổi độ đóng/ mở của cửa hút gió vào hoặc tăng - giảm điện trở, tăng – giảm lượng hơi phun vào

VI PHÚC TRÌNH

6.1 Kết quả

Bảng 1: Kết quả đo các thông số.

Số thứ

tự thí

nghiệm

Số

đo

Trạng thái không khí ẩm môi trường (điểm 1)

Trạng thái sau dàn lạnh

(điểm 2)

Trạng thái sau gia nhiệt (điểm 3)

Trạng thái sau cấp ẩm (điểm 4)

Tốc

độ v (m/s)

Nhiệt độ Thể

tích nước ngưng (mL)

Thời gian ngưng (s)

Nhiệt độ Nhiệt độ Nhiệt độ

Bầu khô

Bầu ướt Bầukhô Bầuướt Bầukhô Bầuướt Bầukhô Bầuướt

I

1

1.5 32.1 29.5 41

60

20.9 18.0 47.9 30.4 48.1 34.8

II

1

0.9

33.1 30.8

Rất ít

14.3 12.1 68.5 39.7 46.3 34.8

Bảng 2: Các đại lượng đặc trưng của không khí ẩm

STT Các đại lượng

chính

Ký hiệu

Đơn vị tính

Không khí môi trường

(điểm 1)

Không khí sau tách ẩm

(điểm 2)

I

5 Khối lượng

II

4 Enthalpy Ι kJ/kg 103.79 104,87 105.98 34.31 32.60 37.31

5 Khối lượng

3 1,154 1.152 1.152

STT Các đại

lượng chính

Ký hiệu

Đơn

vị tính

Không khí sau gia nhiệt

(điểm 3)

Không khí sau làm ẩm

(điểm 4)

I

4 Enthalpy Ι kJ/kg 100.82 101.90 105.20 126.82 130.13 126.25

5 Khối

lượng

riêng

ρ kg/m3 1.100 1.101 1.102 1.100 1.100 1.104

II

3 Hàm ẩm d kg/kg 0.035 0.171 0.633 0.031 0.039 0.057

4 Enthalpy Ι kJ/kg 161.41 522.25 1765.08 126.93 156.82 208.82

5 Khối

lượng

riêng

ρ kg/m3

Xác định cho vận tốc 1,5 m/s, tại lần đo 1

Xác định cho vận tốc 0,9 m/s, tại lần đo 1

VI.2 Tính toán

VI.2.1 Xác định các thông số của không khí

Theo giản đồ i-d căn cứ vào nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt, xác định được độ ẩm tương đối φ (%), enthalpy I (kJ/kg) và độ chứa hơi d (kg/kg) của không khí tại các điểm và trình bày trong bảng 2 Sau đó, vẽ quá trình biến đổi của trạng thái không khí trên giản đồ i-d (Đính kèm)

VI.2.2 Xác định trạng thái không khí ẩm của môi trường khi đi qua ống khí

động

Lưu lượng khối lượng Gk (kg/s) của không khí chuyển động trong ống khí động được xác định như sau:

Gk =v.F.ρk

Tính cho giá trị có v= 1.5m/s; lần đo 1

VI.2.3 Xác định khả năng tách ẩm từ không khí

Làm lạnh không khí đến nhiệt độ dưới điểm sương, hơi ẩm ngưng tụ thành nước và không khí trở nên khô hơn, độ ẩm thấp hơn trước

Có: V là thể tích nước ngưng tụ (bảng 1); t= 60s

VI.2.4 Tính toán dàn lạnh

a) Năng suất lạnh của dàn lạnh Q o

b) Lượng nước tách ra từ dàn lạnh theo tính toán lý thuyết G nước

c) Lượng nước thực tế tách ra từ dàn lạnh G’ nước

VI.2.5 Tính toán thiết bị sấy không khí

a) Phụ tải nhiệt của thiết bị sấy không khí Q

VI.3 BÀN LUẬN

1) Giải thích sự thay đổi trạng thái của không khí khi đi qua ống khí động dựa trên sự thay đổi độ ẩm của không khí

 Trong giai đoạn đầu của quá trình làm lạnh : độ chứa hơi d của không khí

không đổi (do lượng nước không đổi), nhiệt độ không khí giảm dần đến nhiệt độ điểm sương còn độ ẩm tương đối tăng dần đến trạng thái bão hòa

 Giai đoạn sạu dàn lạnh : Do không khí ở trạng thái bão hòa nên φ=1 Vì làm

lạnh nên nhiệt độ giảm, d giảm do lượng nước ngưng tụ được từ quá trình này

 Qua thiết bị sấy: d không đổi do lượng nước tính theo lượng không khí khô

ở giai đoạn này không đổi, nhiệt độ rang do quá trình sấy nóng làm tăng nhiệt

 Giai đoạn cấp ẩm: Sử dụng hơi quá nhiệt phun vào không khí Độ chứa hơi

d của không khí tăng lên ( do cấp nước vào không khí nên) và enthalpy I tăng do nhiệt lượng từ hơi nước nóng cấp vào

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

Với nhiệt độ bầu ướt ứng với độ ẩm φ=1, ta xác định được điểm A

Từ A, vẽ đường đẳng enthalpy (vẽ đường song song với đường xiên

enthalpy) sao cho đường này cắt đường nhiệt độ bầu khô tại một giá trị - giá trị đó là B

B cũng chính là điểm đang khảo sát

Từ B kẻ: Thẳng đứng để xác định hàm ẩm d

Cong theo đường cong φ để xác định độ ẩm tại điểm khảo sát Kéo dài đoạn AB để thu được kết quả enthalpy

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 Giải thích sự sai biệt đó.

Ở các quá trình làm lạnh, sấy nóng và cấp ẩm trên thực tế đều có sự thay đổi

ít nhiều so với lý thuyết:

Khi đi qua dàn lạnh: Tại vị trí cuối cùng của quá trình làm lạnh, trạng thái

của không khí không phải là bão hòa như lý thuyết mà là trạng thái chưa bão hòa 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

Khi đi qua thiết bị sấy: Độ ẩm ở thời điểm sấy nóng giảm đáng kể vì lượng

hơi nước trong không khí giảm, hàm ẩm tại đây cũng tăng lên so với lý thuyết Điều này chứng tỏ trên thực tế ngoài lượng không khí đang khảo sát còn có thêm lượng ẩm từ không khí bên ngoài cấp vào

Khi đi qua vòi phun hơi cấp ẩm: Các thông số không có chênh lệch nhiều so

với lý thuyết, chứng tỏ môi trường xung quanh không ảnh hưởng nhiều đến lượng không khí đang khảo sát