Bài giảng kỹ thuật nhiệt chương 5 mass energy analysis of control volume (bảo toàn năng lượng hệ hở)

4/13/2018 1 Chap05 Mass & Energy Analysis of Control Volume (Bảo toàn năng lượng hệ hở) Presented by PGS Lê Văn Điểm Lesson Objectives • Develop the conservation of mass principle • Apply the conserva[.]

Chap05: Mass & Energy Analysis of Control Volume

(Bảo toàn năng lượng hệ hở)

Presented by

PGS Lê Văn Điểm

Lesson: Objectives

• Develop the conservation of mass principle

• Apply the conservation of mass principle to

various systems including steady- and unsteady-flow control volumes

• Apply the first law of thermodynamics as the

statement of the conservation of energy principle to control volumes

• Identify the energy carried by a fluid stream

crossing a control surface

• Solve energy balance probems for common

steady-flow devices such as nozzles, compressors, turbines, throttling valves, mixers, heaters, and heat exchangers

• Apply the energy balance to general

unsteady-flow processes with particular emphasis on the uniform-flow process as the model for

commonly encountered charging and discharging processes

• Nhắc lại nguyên lý bảo toàn khối lượng.

• Áp dụng nguyên lý bảo toàn khối lượng cho các hệ (ổn định và không ổn định).

• Áp dụng nguyên lý bảo toàn năng lượng cho hệ hở.

• Nhận dạng năng lượng dòng chảy truyền qua biên hệ.

• Giải bài toán cân bằng năng lượng cho các hệ có dòng chảy ổn định (ống phun, máy nén, tuabin, van tiết lưu, bộ hòa trộn, thiết bị trao đổi nhiệt).

• Áp dụng bài toán cân bằng năng lượng cho một số hệ không ổn định thường gặp (nạp và xả môi chất).

5.1: Nguyên lý bảo toàn vật chất (Mass conservation)

• Bảo toàn khối lượng: Vật chất không bị mất đi hay sinh ra trong 1 quá trình, chỉ có thể biến đổi

• Hệ kín: Lượng vật chất của hệ là hằng số

• Hệ hở: Vật chất có thể đi qua biên hệ Cần phải xác định và kiểm soát lượng vật chất truyền qua biên hệ

• Conservation of mass: Mass, like energy, is a

conserved property, and it cannot be created

or destroyed during a process

• Closed systems: The mass of the system

remain constant during a process

• Control volumes: Mass can cross the

boundaries, and so we must keep track of the

amount of mass entering and leaving the

control volume

Lưu lượng khối lượng của dòng chảy

• Vận tốc trung bình:

• Lưu lượng khối lượng (Mass flow rate):

ρ: khối lượng riêng (kg/m3) V: Vận tốc pháp tuyến (m/s) A: Diện tích thiết diện (m2)

Lưu lượng thể tích của dòng chảy

• Lưu lượng thể tích (Volume flow rate):

• Quan hệ Mass flow và Volume flow:

ρ: khối lượng riêng (kg/m3) V: Vận tốc pháp tuyến (m/s) A: Diện tích thiết diện (m2) ν: Thể tích riêng (m3/kg) : Thể tích (m3)

Nguyên lý bảo toàn khối lượng

(Mass Conservation/Mass Balance)

• Hiệu số lượng vật chất vào HT và ra khỏi hệ thống bằng khối lượng thay

đổi của hệ:

Nguyên lý bảo toàn khối lượng

(Mass Conservation/Mass Balance)

• Tốc độ thay đổi lượng vật chất (kg/s):

chảy vào và ra:

Bảo toàn khối lượng của hệ hở ổn định (steady flow)

• Dòng chảy ổn định:

▫ Khối lượng của hệ không đổi: m = const,

▫ Lưu lượng khối lượng vào = ra.

• Single stream (đơn dòng):

ρ: khối lượng riêng (kg/m3) V: Vận tốc dòng (pháp tuyến) (m/s) A: Diện tích thiết diện (m2)

Một số ví dụ các thiết bị có steady flow

• Ống phun (Nozzle): Là thiết

bị để tăng tốc dòng (vòi cứu hỏa, tuabin);

• Ống khuếch tán (Diffuser):

Là thiết bị giảm tốc dòng (cửa đẩy bơm ly tâm, máy nén);

• Van tiết lưu (Throttling):

Giảm lưu lượng, hạ nhiệt độ (trong máy lạnh);

• Buồng hòa trộn;

• Thiết bị trao đổi nhiệt

Dòng chất lỏng không nén được (incompressible fluid)

• Lưu chất (chất lưu động được): Fluid = Liquid

+ Gas;

▫ Lưu chất không nén được: Incompressible Fluids (Liquids, ví dụ: Nước thể lỏng);

▫ Lưu chất nén được: Compressible Fluids (Gases, ví dụ: Không khí).

• Dòng chảy ổn định của chất lỏng: ρ = const.

Lưu lượng thể tích dòng vào và ra bằng nhau Note: Không có nguyên lý bảo toàn thể tích P1

Ví dụ: Vòi phun (Nozzle)

Vòi phun làn vườn có đường kính cửa vào 2cm, cửa ra 0,8cm Mất 50s để điền đầy xô nước 20 lít

a Xác định lưu lượng thể tích, lưu lượng khối lượng của dòng chảy

b Xác định vận tốc trung bình của dòng nước ở cửa và và cửa ra vòi phun

Solution:

- Lưu lượng thể tích:

- Lưu lượng khối lượng:

- Tốc độ dòng vào/ra: V(in/out) =


5.2: Công lưu động (Flow work) và năng lượng của dòng

• Tưởng tượng piston đẩy dòng chảy (tác

động lực F lên diện tích A, đẩy khối chất lỏng dịch chuyển khoảng cách L):

• Định nghĩa: Công lưu động là công (năng

lượng) cần thiết để đẩy dòng chuyển động.

Năng lượng tổng của dòng chảy

• Năng lượng tổng của hệ: • Năng lượng dòng chảy

(thêm phần năng lượng đẩy dòng chuyển động Pv)

Note: Enthalpy là thông số trạng thái liên quan đến dòng lưu động

Truyền năng lượng dòng chảy (Energy transport by Mass)

• Công thức tổng quát cho dòng chảy (hệ hở):

• Với hệ hở tĩnh tại: Bỏ qua động năng, thế năng:

Question: Tại sao hệ hở có dòng chảy mà lại nói “Hệ tĩnh tại” và

bỏ qua động năng của hệ?

Answer: Dòng chảy vào/ra hệ, còn hệ thì đứng im Ví dụ động cơ tuabin phát điện

Note: Hầu hết thường gặp các hệ hở tĩnh tại, ổn

định, một chiều

5.3: Phân tích năng lượng hệ hở ổn định

• Thường gặp các hệ hở ổn định (flow stream):

Tuabin, máy nén, ống phun …

Phân tích năng lượng hệ hở ổn định

• Cân bằng vật chất:

▫ Hệ đơn dòng:

• Cân bằng năng lượng:

▫ Hệ hở ổn định: Hệ không tích trữ năng lượng:

Phân tích năng lượng hệ hở ổn định

• Nhớ lại: 3 dạng truyền năng lượng (heat, work, mass)

• Với dòng chảy ổn định:

• Sắp xếp lại:

• Bỏ qua động năng, thế năng:

Phân tích năng lượng hệ hở ổn định

• Khi bỏ qua động năng, thế năng:

• Trong đó:

Là lượng nhiệt 1kg môi chất của hệ trao đổi với môi trường:

- Thường gặp hệ có nhiệt độ cao → Hệ mất nhiệt (q âm)

- Nếu hệ được bọc cách nhiệt tuyệt đối (adiabatic) → q = 0

Công lưu động (Pv) đã nằm trong thành phần enthalpy

- Các hệ thống có công trên trục (tuabin, máy nén, bơm), W chính là shaft work

- Nếu hệ thống nhận năng lượng điện, W là công điện

- Các hệ thống không có công trên trục, công điện (ống phun) thì W = 0