c6 chat thuan khiet

Có thể xem: - Môi chất ở thể khí nếu như trạng thái của nó cách khá xa trạng thái bão hòa, thường các chất này có nhiệt độ tới hạn thấp.. - Môi chất ở thể hơi khi nó có nhiệt độ tới hạn

CHƯƠNG 6 CHẤT THUẦN KHIẾT

1 TỔNG QUÁT

NÓNG CHẢY BỐC HƠI (SÔI)

ĐÔNG ĐẶC NGƯNG TỤ

THĂNG HOA

NGƯNG KẾT

Chất thuần khiết là chất có tính đồng nhất và ổn định về thành phần hóa học Chất thuần khiết có thể tồn tại ở nhiều pha khác nhau, dù ở pha nào thì thành phần hóa học vẫn được giữ như cũ

Ví dụ nước ở thể rắn, lỏng hay hơi đều có công thức là H2O

Phân biệt khí và hơi: không có một ranh giới rõ ràng giữa khí và hơi Có thể xem:

- Môi chất ở thể khí nếu như trạng thái của nó cách khá xa trạng thái bão hòa, thường các chất này có nhiệt độ tới hạn thấp

- Môi chất ở thể hơi khi nó có nhiệt độ tới hạn khá cao so với trạng thái của môi chất

2 QUÁ TRÌNH HÓA HƠI ĐẲNG ÁP

Khảo sát hệ thống xy lanh pittông bên trong chứa 1kg chất thuần khiết là nước ở áp suất 1bar và nhiệt độ 30oC Để giữ áp suất trong xy lanh không đổi

ta tác động lên trên pittông một lực là P Cung cấp nhiệt Q cho xylanh ta thấy nhiệt độ nước tăng lên đồng thời thể tích nước cũng tăng lên, đến trạng thái b thì nước sôi ở nhiệt độ ts Tiếp tục cung cấp nhiệt, ta thấy hơi nước bốc lên phía trên xylanh cho đến khi giọt lỏng cuối cùng biến thành hơi thì nhiệt độ vẫn là ts không thay đổi Tiếp tục cấp nhiệt thì nhiệt độ hơi tăng lên (te > ts)

(a) Lỏng chưa

sơi, nhiệt độ t

(b) Lỏng sơi, nhiệt độ

ts > t

(c) Hơi bão hòa

+ Lỏng bão hòa, nhiệt độ ts > t

(d) Hơi bão hòa khô, nhiệt đđđđộ ts > t

(e) Hơi quá nhiệt, nhiệt độ te > ts

THỜI GIAN

HƠI Q

UAÙ N

HIỆT

HƠI BH ẨM

LOÛNG

CHƯ

A SO ÂI LỎNG SÔI

HƠI BH KHÔ

v

p

1bar

LỎNG SÔI HƠI BHKHÔ

HƠI QUÁ NHIỆT HƠI BH

ẨM

LỎNG

CHƯA

SÔI

v' v''

t s

Để phân biệt các trạng thái trong vùng hơi bão hòa ẩm ta đưa ra khái niệm độ khô x (không có khái niệm độ khô trong vùng lỏng chưa sôi)

h l

h

G G

G x





Trong đó: Gh – lượng hơi bão hòa khô có trong hơi bão hòa ẩm

Gl – lượng lỏng có trong hơi hơi bão hòa ẩm

x = 0 : trạng thái lỏng sôi

x = 1 : trạng thái hơi bão hòa khô

Tiến hành thí nghiệm tương tự như trên với các áp suất p2, p3, … lớn hơn 1bar Tương tự như trên ta tìm được các điểm lỏng sôi 1’, 1’’ … và điểm hơi bão hòa khô 2’, 2’’ …

v

p

1bar

p1

p2

2'

2'' 1'

1''

Ta thấy điểm 1’ dịch về phía bên phải so với điểm 1 và điểm 2’ xê dịch về phía trái so với điểm 2 Giải thích: áp suất tăng thì nhiệt độ sôi tăng do đó thể tích riêng tăng, do 2 và 2’ là hơi bảo hòa khô, mà đối với thể hơi hay khí thì áp suất tăng thể tích giảm

v

p

K

t=const

x =

1

x= co

nst

Tập hợp các điểm lỏng sôi ở áp suất khác nhau tạo thành đường lỏng sôi x=0, tập hợp các điểm hơi bảo hòa khô tạo thành đường hơi bão hòa khôi x=1

Hai đường này gặp nhau tại điểm K gọi là điểm tới hạn Ta thấy đường lỏng sôi nghiêng ít hơn đường hơi bão hòa khô vì hơi có tính chịu nén tốt

Trong vùng hơi bão hòa ẩm, ta thấy còn có các đường x=const, các đường này đều xuất phát từ điểm K

Nhiệt độ tới hạn TK là nhiệt độ lớn nhất của một chất thuần khiết nào đó mà ở đó pha lỏng và pha hơi còn có thể tồn tại ở trạng thái cân bằng

Quá trình biến đổi từ lỏng sôi sang hơi bảo hòa khô là quá trình bay hơi, quá trình biến đổi từ hơi bão hòa khô sang lỏng sôi gọi là quá trình ngưng tụ Hai quá trình này diển ra ở nhiệt độ và áp suất không đổi

* Quá trình hoá rắn (đông đặc): thông thường quá trình đông đặc diển ra

ở áp suất khí quyển từ trạng thái lỏng chưa sôi đến trạng thái rắn ở nhiệt độ thích hợp VD như quá trình làm nước đá, đông lạnh thực phẩm …

Tương tự như quá trình hoá hơi, trong giai đoạn chuyển pha từ rắn sang lỏng nhiệt độ môi chất vẫn không thay đổi

THỜI GIAN

0oC

tđ

tc

toC

Nhiệt lượng cần lấy để đông đặc G (kg) nước đá từ nhiệt độ tđ (>0) đến nhiệt độ tc (<0) là

Q = G[(cpl(tđ – 0) + r + cpr(0 – tc)], kJ

Cpl = 4,18kJ/kg.K - nhiệt dung riêng của nước

cpr = 2,09kJ/kg.K – nhiệt dung riêng của nước đá

r = 333,6kJ/kg – ẩn nhiệt nóng chảy Năng suất lạnh cần thiết đề làm đông đặc trong thời gian t (s):

t

Q

Q0  , kW Năng suất lạnh này chỉ là điều kiện cần để làm đông đặc từ nhiệt độ tđ đến tc trong thời gian t vì còn phụ thuộc nhiệt độ của nguồn cung cấp lạnh qua nhiệt bị trao đổi nhiệt Do đó cần phải thoả mãn thêm phương trình truyền nhiệt Q = kF t

Một cách tổng quát bài toán truyền nhiệt cần phải thoả mãn hai phương trình: phương trình cân bằng nhiệt và phương trình truyền nhiệt:















t kF Q

Q Q

Qnhả nhận

(học trong môn Truyền nhiệt)

3 BIỂU DIỂN MỘT SỐ QUÁ TRÌNH TRÊN CÁC ĐỒ THỊ KHÁC

S

T

p=c

i

lgp

T

=

con st

i

con st

s=co

nst

i lgp

4 CÁCH XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA CHẤT THUẦN KHIẾT

Không dùng phương trình trạng thái khí lý tưởng để giải

Dùng các công cụ sau:

- Đồ thị

- Bảng tra

- Phương trình hóa (từ đồ thị, bảng tra)

4.1 BẢNG CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA … Ở TRẠNG THÁI BÃO HÒA

Thông thường bảng có dạng:

t

oC

p

bar

v’

m3/kg

v’’

m3/kg

i’

kJ/kg

i’’

kJ/kg

r kJ/kg

s’

kJ/kg.K

s’’ kJ/kg.K

…

Trong đó các thông số có ký hiệu ‘ là các thông số của trạng thái lỏng sôi, các thông số có ký hiệu ‚ là các thông số của trạng thái hơi bão hòa khô

Thông số r: biểu diển ẩn nhiệt hóa hơi, là nhiệt lượng cần cấp để làm cho 1kg nước từ trạng thái lỏng sôi thành trạng thái bão hòa khô (hay nhiệt lượng cần lấy đi để làm cho 1kg nước từ trạng thái hơi bão hoà không thành lỏng sôi) r = i’’ – i’ (kJ/kg)

Xác định các thông số trạng thái của hơi bão hòa ẩm:

Từ bảng CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA … Ở TRẠNG THÁI BÃO HÒA kết hợp với các tính toán chúng ta tìm được các thông số trạng thái của hơi bão hòa ẩm

Gọi ' đại diện cho các i’, v’, u’, s’

 đại diện cho các thông số i, v, u, s ở trạng thái hơi bão hòa ẩm ''

 đại diện cho các thông số i’’, v’’, u’’, s’’

Ta luôn có ' <  < ''

Sử dụng công thức sau để tính :

= (1 – x) ' + x ''

Hay

' ''

' x















Để xác định tên gọi của một trạng thái nào đó khi biết thông số trạng thái  ở áp suất (hoặc nhiệt độ), ta cần tra bảng CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA … Ở TRẠNG THÁI BÃO HÒA theo áp suất (hoặc nhiệt độ) đó để xác định ' và '' :

- Nếu  < ' : lỏng chưa sôi

- Nếu  = ' : lỏng sôi

- Nếu ' <  < '' : hơi bão hòa ẩm

- Nếu  = '' : hơi bão hòa khô

- Nếu  > '': hơi quá nhiệt

4.2 BẢNG CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA … Ở TRẠNG THÁI LỎNG CHƯA SÔI VÀ HƠI QUÁ NHIỆT

Các bảng tra trong giáo trình chỉ có bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt

(nước và hơi nước), còn các chất thuần khiết khác như frêon, amoniac … chỉ có phần hơi quá nhiệt

Để tìm các thông số v, i, s, của hơi quá nhiệt chúng ta cần biết hai thông số nhiệt độ và áp suất

5 BÀI TẬP

 Xác định các thông số ở trạng thái lỏng sôi và hơi bão hòa khô của nước và R22 trong các trường hợp sau:

(i) p = 1,5bar

(ii) t = 80oC

(iii) t = 83,4oC

Xác định các thông số ở trạng thái bão hòa của nước biết khối lượng riêng ở trạng thái lỏng sôi tương ứng là 3

31

958, kg/m '



 Xác định các thông số trạng thái nước trong các trường hợp sau:

(i) p=12bar; t=100oC

(ii) p=8bar; t=220oC

(iii) p=14bar; t=198oC

 Một bình kín thể tích 200lít chứa 3,5kg nước và hơi nước, áp kế chỉ 9bar (i) Xác định trạng thái của nước và hơi nước

(ii) Tính nhiệt lượng cấp vào để áp suất tăng thêm 2 bar Xác định nước và hơi nước lúc đó

 Tính nhiệt lượng cần thiết [kJ] để gia nhiệt đẳng áp (p=1bar) 5kg nước từ nhiệt độ 30oC đến nhiệt độ 100oC

 5kg hơi nước ở trạng thái ban đầu có P=1,2bar, v=0,1m3/kg Sau khi gia nhiệt đẳng áp hơi nước có nhiệt độ t=200oC

Xác định: a) Các thông số trạng thái của hơi nước trước và sau khi gia nhiệt

b) Lượng nhiệt cung cấp

1 kg hơi nước ở trạng thái 1 có thông số p1 = 6 bar và x1 = 0,594 được cung cấp nhiệt và biến thiên theo quá trình đẳng tích đến trạng thái 2 có nhiệt độ t2

= 2400C

a/ Biểu diễn quá trình trên đồ thị T-s, p-v, i-s

b/ Xác định áp suất p2, nhiệt lượng cung cấp cho quá trình q12 và độ biến thiên entropy s12

 Một bình kín có thể tích V = 200 lít bên trong có chứa 1,6 kg hơi nước Sau

khi nhận vào một nhiệt lượng Q, người ta thấy nhiệt độ của hơi nước trong bình

tăng thêm 25,3 o C Cho biết vào lúc ban đầu số chỉ của áp kế là 1,3 bar

a Nêu đúng tên gọi của trạng thái đầu và trạng thái cuối Xác định rõ

vào cuối quá trình áp kế chỉ bao nhiêu? Biểu diễn quá trình trên đồ thị p-v

b Tính toán giá trị của Q

Trong quá trình tính toán xem như áp suất khí quyển có giá trị là 1 bar

 Khảo sát một bình kín chứa R-22 Cho biết vào lúc ban đầu bình đang ở trạng thái cân bằng nhiệt với mơi trường xung quanh, trạng thái R-22 trong bình là bão hịa ẩm với độ khơ là x1 = 0,42 Sau khi lấy bớt R-22 ra khỏi bình và chờ cho đến khi bình trở lại trạng thái cân bằng nhiệt với mơi trường xung quanh, người ta thấy thể tích riêng của R-22 tăng gấp đơi so với giá trị lúc ban đầu

Xác định:

a Áp suất chỉ bởi áp kế gắn trên bình tương ứng với trạng thái đầu và trạng thái cuối

Cho biết: - Thể tích của bình là 50lít

- Nhiệt độ và áp suất của mơi trường xung quanh lần lượt là 30o C và 1bar

5.6 GIẢI BÀI TẬP

 BÀI 5.2

Tra bảng ‚Nước và hơi nước bão hòa theo áp suất‛ P = 13 bar, ta được:

’= 0,0011438 m3/kg

‛=0,1512 m3/kg

i’= 814,5 kJ/kg

i‛ = 2787 kJ/kg

Entanpy:

ix = (1 – x)i’ + xi‛ = (1 – 0,98)814,5 + 0,982787 = 2747,55 kJ/kg

Thể tích riêng:

x = (1 – x)’ + x‛ = (1 – 0,98)0,0011438 + 0,980,1512= 0,1482 m3/kg Nội năng hơi ẩm:

ux = ix - px = 2747,55 – 13  102 0,1482 = 2554,89 kJ/kg

 BÀI 5.4

Thể tích riêng hơi ẩm:

kg / m ,

G

V

1800







Tra bảng ‚Nước và hơi nước bão hòa‛ theo p = 110 bar, ta được:

’= 0,001489 m3/kg

‛ = 0,01598 m3/kg

Độ khô:

357 0 001489 0

01598 0

001489 0

00667

, ,

,

, '

"

'





















Khối lượng hơi bão hòa khô:

Gh = xG = 0,3571800 = 643,1 kg

Khối lượng nước:

Gn = G – Gh = 1800 – 643,5 =1156,9 kg

 BÀI 5.7

a) Tra bảng ‚Nước và hơi nước bão hòa‛ ở áp suất P = 16 bar, ta được:

ts = 201,360C

’ = 0,0011586 m3/kg

‛ = 0,1238 m3/kg

Thể tích riêng hơi:

x = ’ + x(‛ - ’) = 0,0011586 +0,9 (0,1238 -0,0011586)

= 0,111536 m3/kg

Lưu lượng khối lượng:

x x

d f

G









4

2





mm , ,

, G

4 75 30

111536 0

2 1 4



















b) t = 3500C > ts

 Hơi chuyển động trong ống ở trạng thái quá nhiệt

Tra bảng ‚Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt‛ ở áp suất P = 16 bar, t=3500C

Ta được: x = 0,1743 m3/kg

mm , ,

, G

2 94 30

1743 0 2 1 4



















 BÀI 5.9

Tra bảng ‚Nước và hơi nước bão hòa‛ ở áp suất P = 20 bar, ta được:

ts = 212,370C

i’ = 908,5 kJ/kg

i‛ = 2799 kJ/kg

’ = 0,0011766 m3/kg

‛ = 0,09958 m3/kg

 ivào = ix = i’ + x(i‛ – i’) = 908,5 +0,98(2799 – 908,5) = 2761,19 kJ/kg

Hơi ra là hơi quá nhiệt (t2 > ts)

Tra bảng ‚Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt‛ ở áp suất P = 20 bar, t = 4000C

ra = 0,1511 m3/kg

Nhiệt lượng hơi nhận được ở bộ quá nhiệt:

Q = G(ira - ivào) = 2500  (3246 - 2761,19) =1212  103 kJ/h

Thể tích riêng hơi ẩm:

xvào = ’ + x(‛ - ’) 0,0011766 +0,98  (0,09958 - 0,0011766)

= 0,09761 m3/kg

Ta có:

ra xvào

d d

G













4 4

2 2 2

2 1 1





ra

xvào d

d









2

1 (vì 1 = 2)

804 0 1511 0

09761 0 2

,

, d



 BÀI 5.10

Tra bảng ‚Nước và hơi nước bão hòa‛ ở áp suất P = 160 bar, ta được:

ts = 347,32oC

i’= 1650 KJ/kg

i‛= 2582 KJ/kg

t1 < ts nên nước cấp vào lò hơi ở trạng thái nước chưa sôi

Tra bảng ‚Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt‛ ở áp suất P = 160 bar, t1 = 1800C, ta được: ivào = 771,3 kJ/kg

Nhiệt lượng cấp vào lò hơi:

Q = G(ira - ivào)

kg / kJ ,

, i

G

Q

10 900

10 4 2270

3

6

















Ta thấy: i‛ < ira hơi ra là hơi quá nhiệt

Tra bảng ‚Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt‛ ở áp suất P = 160 bar, i =

3294kJ/kg được

t2 = 5000C

 BÀI 5.13

Về phía nước cấp:

Tra bảng ‚Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt‛

Ơû áp suất pn = 100 bar, tn1 = 1100C, ta được:

in1 = 468,5 KJ/kg

Ở áp suất pn = 100 bar, tn2 = 1550C, ta được:

in2 = 659,6 KJ/kg Nhiệt lượng 1kg nước cấp nhận được:

Qn = in2 – in1 = 659,6 – 468,5 = 191,1 kJ/kg-nướccấp Xét về phía hơi:

Tra bảng ‚Nước và hơi nước bão hòa‛

Ở áp suất P = 6,5 bar và nội suy, ta được:

ts = 1620C i’ = 683,85 KJ/kg i‛ = 2760,5 KJ/kg

 ia = i’ + x(i‛ – i’) = 683,85 + 0,94  (2760,5 – 683,85) = 2635,9 kJ/kg

tb = ts – 20C = 162 – 2 = 1600C

Tra bảng ‚Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt‛

Với tb = 1600C và pb = 6,5bar ta được:

ib = 685,9KJ/kg Theo phương trình cân bằng nhiệt:

Qh = Qn

 Gh(ia – ib) = Qn

p kgnướccấ /

kghơi ,

, ,

, i

i

Q G

b a

n

9 685 9 2635

1











 BÀI 5.14

p x

Gh

tn

Gn?

1

S

T

1

3 2

Tra bảng ‚Nước và hơi nước bão hòa‛ theo áp suất p = 0,1 bar:

ts = 45,84 0C

i’ = 191,9 kJ/kg

i3 = i’ = 191,9 kJ/kg

Tra bảng ‚Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt‛ ở áp suất P = 0,1 bar, t = 150C

i2 = 62,94 kJ/kg

Theo phương trình cân bằng nhiệt:

(Gh + Gn)i3 = Ghi1 + Gni2

 (580 + Gn)191,9 = 5802536,158 + Gn62,94

 Gn = 10543 kg/h

 BÀI 5.16

Tra bảng ‚Nước và hơi nước bão hòa‛ ở nhiệt độ t1 = 1800C, ta được:

v’ = 0,0011275 m3/kg

p1 = 10,027 bar

v‛ = 0,1939 m3/kg

i’ = 763,1 kJ/kg

i‛ = 2778 kJ/kg

Độ khô: x1 = 1 – y =1 – 0,05 = 0,95

v1 = v’ + x1(v‛ – v’)= 0,0011275 + 0,95(0,1939 – 0,0011275)

= 0,18426 m3/kg

i1 = i’ + x1(i‛ – i’)= 763,1 + 0,95(2778 – 763,1)= 2677,3 kJ/kg

Tra bảng ‚Nước và hơi nước bão hòa‛ ở áp suất P2 = 9 bar, ta được:

v’ = 0,0011213 m3/kg

v‛ = 0,2149 m3/kg

i’= 742,8 KJ/kg

i‛ = 2774 KJ/kg

Vì bình kín  v2 = v1 = v = 0,18426 m3/kg

0011273 0

2149 0

0011273 0

18426 0 2

, ,

,

, ' v

"

v

' v v













i2 = i’ + x2(i‛ – i’)=742,8 + 0,857(2774 – 742,8)= 2483 kJ/kg

Nhiệt lượng của hơi nhả ra môi trường:

Q = G[(i2 – i1) + v(P1 – P2)]

 i2 i1 v P1 P2 

v



10 10 9 027 10 18426 0 3 2677 2483

18426 0

2

, ,

= -190,4 kJ

i

K

1 2

 BÀI 5.19

Tra bảng ‚Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt‛ ở áp suất p1 = 6 bar, t1 = 2000C, ta được:

s1 = 6,963 kJ/kg.K

1 2: quá trình đẳng nhiệt: t2 = t1 = 2000C

Tra bảng ‚Nước và hơi nước bão hòa‛ ở nhiệt độ t = 2000C, ta được:

s’ = 2,3308 kJ/kg.K

s‛ = 6,4318 kJ/kg.K

v’ = 0,0011565 m3/kg

v‛ = 0,1272 m3/kg

v’< v2 <v’’ nên trạng thái 2 là trạng thái hơi ẩm:

Độ khô:

8635 0 0011565 0

1272 0

0011565 0

11 0 2

, ,

,

, ' v

"

v

' v v













s2 = s’ + x2(s‛ – s’)= 2,3308 + 0,8635(6,4318 – 2,3308)= 5,872 kJ/kg.K

Lượng nhiệt thải:

qth = T(s2 – s1)= (200+273)(5,872 – 6,963)= - 516 kJ/kg

i

2

Tra bảng ‚Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt‛ ở áp suất p1 = 30 bar, t1 = 3000C, ta được:

i1 = 2988 KJ/kg

s1 = 6,53 KJ/kgđộ

Tra bảng ‚Nước và hơi nước bão hòa‛ ở áp suất p2 = 0,5bar

i’ = 340,6 kJ/kg

i‛ = 2645 kJ/kg

s’ = 1,091 kJ/kg.K

s‛ = 7,593 kJ/kg.K

12: quá trình nén đoạn nhiệt s2 = s1 = 6,53 kJ/kg.K

s’ < s2 < s’’ nên trạng thái 2 là hơi bão hòa ẩm

Độ khô:

8365 0 091 1 593 7

091 1 53 6 2 2

2 2

, ,

,

, 's

"

s

's s













i2 = i’2 + x2(i‛2 – i’2)= 340,6 + 0,8365(2645 – 340,6)= 2268,2 KJ/kg

Công kỹ thuật: (qdiwkt 0)

wkt = i = i2 – i1 =2268,2 – 2988 = 720 kJ/kg