Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 5: Mass & Energy Analysis of Control Volume (Bảo toàn năng lượng hệ hở)

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 5: Mass & Energy Analysis of Control Volume (Bảo toàn năng lượng hệ hở). Mục đích của chương này nhằm: 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,… Mời các bạn cùng tham khảo.

Trang 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 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).

Trang 2

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)

Trang 3

Lưu lượng thể tích của dòng chảy

• Lưu lượng thể tích (Volume flow rate):

• Quan hệ Mass flow và Volume flow:

V: Vận tốc pháp tuyến (m/s)

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:

Trang 4

Nguyên lý bảo toàn khối lượng

(Mass Conservation/Mass Balance)

• Tổng lượng vật chất trong hệ thống (kg):

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

• Tốc độ thay đổi lượng vật chất = Hiệu tốc độ dòng

chảy vào và ra:

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

• Dòng chảy ổn định:

• Single stream (đơn dòng):

V: Vận tốc dòng (pháp tuyến) (m/s)

Trang 5

Một số ví dụ các thiết bị có steady flow

• Ống phun (Nozzle): Là thiết

• 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;

Fluids (Liquids, ví dụ: Nước thể lỏng);

(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

Trang 6

P1 Prof.Diem; 02/04/2018

Trang 7

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.

Trang 8

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

Trang 9

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:

• Cân bằng năng lượng:

Trang 10

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

• Với dòng chảy ổn định:

• Sắp xếp lại:

• Bỏ qua động năng, thế năng:

• 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

Trang 11

5.4: Phân tích năng lượng một số thiết bị tiêu biểu

Steady-state engineering devices

▫ Tuabin: Sinh công trên trục;

▫ Máy nén: Tiêu thụ công để nén,

vận chuyển chất khí

• Throttling Valves: Van tiết lưu –

tạo hiệu ứng giảm nhiệt độ (máy

lạnh).

• Mixing chambers: Bộ trộn – tạo

hỗn hợp theo yêu cầu.

• Heat Exchangers: Thiết bị trao đổi

nhiệt – trao đổi nhiệt giữa 2 dòng

môi chất qua vách ngăn.

- Các thiết bị trong các nhà máy như tuabin, máy nén, bơm … thường làm việc liên tục hàng tháng mới cần dừng để bảo dưỡng

- Các quá trình trong các thiết bị đó là ổn định (steady)

1 Ống phun/Ống khuếch tán (Nozzles and Diffusers)

tán được sử dụng phổ biến

trong các động cơ phản lực,

rocket, máy bay và các thiết

bị dân dụng như vòi phun

nước (cứu hỏa, tưới nước):

▫ Ống phun (Nozzle) là thiết bị

tăng tốc độ dòng chảy trong

khi giảm áp suất;

- Tương tự đối với ống khuếch tán

Trang 12

1 Ống phun/Ống khuếch tán (Nozzles and Diffusers)

• Với ống phun, ống khuếch tán:

Trang 13

Cân bằng năng lượng Nozzle/Diffuser

• Ví dụ: Hơi nước có áp suất 1,8MPa, nhiệt độ 4000C chảy vào ống phun

có diện tích thiết diện 0,02m2 Lưu lượng dòng chảy là 5kg/s Dòng hơi

ra khỏi ống phun có áp suất 1,4MPa, tốc độ 275m/s Tổn thất nhiệt ra

ngoài môi trường là 2,8kJ/kg Hãy xác định:

Trang 14

2 Tuabin và máy nén (Turbines & Compressors)

• Tuabin: là thiết bị tiếp nhận năng lượng từ

dòng chảy để sinh công (W>0) Dòng chảy

truyền năng lượng lên cánh tuabin gắn trên

trục (Ví dụ: Tuabin hơi, khí, thủy điện).

• Máy nén, Quạt gió (Fan), Bơm (Pump): là

các thiết bị tiêu thụ công (W<0) để tăng áp

suất dòng chảy:

▫ Máy nén: Để nén chất khí đến áp suất cao.

▫ Quạt: Tăng áp suất không đáng kể, chủ yếu

dùng để vận chuyển (lưu thông) chất khí.

▫ Bơm: Hoạt động tương tự như máy nén hay

quạt, nhưng môi chất là chất lỏng (liquid).

Trang 15

Cân bằng năng lượng Turbine/Compressor

• W>0 cho tuabin; W<0 cho

máy nén, quạt, bơm.

• Q = 0 nếu hệ cách nhiệt.

• ∆PE ≅ 0.

• ∆KE tùy trường hợp có thể

tính hoặc bỏ qua:

Trang 16

• Ví dụ 1: Một máy nén có áp suất và nhiệt

độ khí vào là 100kPa và 280K, nén không

khí đến áp suất 600kPa và nhiệt độ 400K

Lưu lượng máy nén là 0,02kg/s Tốc độ

tỏa nhiệt của máy nén ra môi trường là

16kJ/kg Hãy xác định công suất tiêu thụ

nếu bỏ qua sự thay đội động năng và thế

năng của hệ?

• Ví dụ 2: Một tuabin hơi nước phát điện

được bọc cách nhiệt, phát ra công suất

5MW có các thông số công tác như ở

hình bên:

• a/ Hãy so sánh ∆h, ∆ke, và ∆pe.

• b/ Xác định công/đơn vị khối lượng dòng

hơi qua tuabin.

• c/ Xác định lưu lượng dòng qua tuabin.

Trang 17

3 Tiết lưu (Throttling)

sự sụt áp suất khi giảm

đột ngột thiết diện lưu

thông:

▫ Không trao đổi nhiệt: vì

thiết bị rất nhỏ, quá trình

xảy ra rất nhanh;

▫ Không trao đổi công.

theo hiệu ứng giảm nhiệt

độ.

▫ Van tiết lưu thường sử

dụng trong các thiết bị

làm lạnh.

Thiết bị tiết lưu:

- Van tiết lưu: thay đổi độ mở bằng tay hoặc

• Cân bằng năng lượng

quá trình tiết lưu:

Note: Tổng nội năng (u) và năng lượng dòng chảy (Flow work, P.v) là không đổi, chúng biến đổi lẫn nhau

Trang 18

Cân bằng năng lượng Throttling

• Ví dụ: Công chất lạnh R134a ở

trạng thái bão hòa có áp suất

0,8MPa đi vào một ống mao dẫn

(capillary tube), áp suất giảm đến

- Không thể sử dụng các loại khí lý tưởng để làm công chất lạnh

4a Quá trình hòa trộn (mixing)

• Hòa trộn 2 hai nhiều dòng môi chất:

• Bảo toàn khối lượng(hệ ổn định):

• Bảo toàn năng lượng:

Trang 19

4a Quá trình hòa trộn (mixing)

• Ví dụ: Dòng nước nóng 600C hòa trộn với nước lạnh 100C để được nhiệt độ

mong muốn 450C Biết áp suất là 150kPa Xác định tỷ lệ giữa hai loại

.1

.2

.1.23 3;

→ Là nước chưa sôi (Compressed liquid)

→ Enthalpy (h) coi như bằng enthanpy của nước bão

hòa ở cùng nhiệt độ

→ Tra bảng tìm h1, h2, h3 của nước bão hòa ở các nhiệt

độ 60, 10, 450C (Table A5)

Question: Nước ở nhiệt độ 600C, áp suất 150kPa, muốn

nước sôi (bão hòa) ở nhiệt độ đó thì làm thế nào?

4b Thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchangers)

bị dung để trao đổi

nhiệt giữa 2 dòng môi

chất qua vách ngăn

cách Được sử dụng

rộng rãi trong kỹ thuật.

khác nhau: 2 loại cơ

Trang 20

Cân bằng năng lượng Heat Exchangers

▫ W = 0 (hệ không trao đổi công).

• Ví dụ: Bầu ngưng (condenser) môi chất lạnh R134a được làm mát

bằng nước R134a ở áp suất 1MPa, 700C, lưu lượng 6kg/min và ra

khỏi bầu ngưng ở 350C Nước làm mát ở áp suất 300kPa, nhiệt độ

vào 150C, nhiệt độ ra 250C Xác định:

▫ a/ Lưu lượng nước làm mát

▫ b/ Tải nhiệt R134a truyền cho nước

Bảo toàn khối lượng:

Cân bằng năng lượng:

Vì W = 0, Q ≅ 0, ∆KE = 0, ∆PE = 0:

Xác định h1, h2:

- Ở P = 300kPa và nhiệt độ 15-250C, nước ở trạng thái lỏng

chưa sôi (compressed liquid)

- Enthalpy của compressed liquid được coi là bằng enthalpy

của nước bão hòa cùng nhiệt độ → tra Table A4 ở 15, 250C

Trang 21

• Ví dụ: Bầu ngưng (condenser) môi chất lạnh R134a được làm mát

bằng nước R134a ở áp suất 1MPa, 700C, lưu lượng 6kg/min và ra

khỏi bầu ngưng ở 350C Nước làm mát ở áp suất 300kPa, nhiệt độ

vào 150C, nhiệt độ ra 250C Xác định:

▫ a/ Lưu lượng nước làm mát

Cân bằng năng lượng khi tách dòng R134a khỏi hệ:

5 Dòng chảy trong ống (Pipe and Duct Flow)

suất cao;

thấp Ví dụ trong thông gió, điều hòa không khí.

công:

▫ Nhiệt: Nhận nhiệt khi sưởi, tỏa nhiệt ra ngoài môi trường

Tùy trường hợp Q = 0 hoặc ≠ 0.

▫ Công: Quạt, bơm tạo dòng Thường bỏ qua (W = 0).

▫ ∆KE thường bỏ qua.

▫ ∆PE thường bỏ qua.

Trang 22

Dòng chảy trong ống (Pipe and Duct Flow)

năng Q, công W (công điện, cơ học), mass flow.

tổn thất qua vách ống là 200W Xác định nhiệt độ dòng khí ra

1 >?1; / >?/

Summary

• Nguyên lý bảo toàn khối lượng:

• Mass Flow Rate (phương trình liên lục): = const.

• Phương trình năng lượng dòng chảy:

• Bảo toàn năng lượng hệ hở ổn định:

Bảo tồn khối lượng:

Cân lượng:

Vì W = 0, Q ≅ 0, ∆KE = 0, ∆PE = 0:

Xác định h1, h2:

- Ở P...

rộng rãi kỹ thuật.

khác nhau: loại

Trang 20

Cân lượng Heat Exchangers...

- Ở P = 300kPa nhiệt độ 1 5-2 50C, nước trạng thái lỏng

chưa sôi (compressed liquid)

- Enthalpy compressed liquid coi enthalpy

của nước bão hòa nhiệt độ → tra

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	2,6 MB