zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Cơ khí - Chế tạo máy

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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Báo xấu

39
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

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

4/13/2018 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. • Nhắc lại nguyên lý bảo toàn khối lượng. • Apply the conservation of mass principle to • Áp dụng nguyên lý bảo toàn khối lượng various systems including steady- and unsteady- flow control volumes. cho các hệ (ổn định và không ổn định). • Apply the first law of thermodynamics as the • Áp dụng nguyên lý bảo toàn năng lượng statement of the conservation of energy cho hệ hở. principle to control volumes. • Nhận dạng năng lượng dòng chảy • Identify the energy carried by a fluid stream truyền qua biên hệ. crossing a control surface. • Solve energy balance probems for common • Giải bài toán cân bằng năng lượng cho steady-flow devices such as nozzles, các hệ có dòng chảy ổn định (ống phun, compressors, turbines, throttling valves, mixers, máy nén, tuabin, van tiết lưu, bộ hòa heaters, and heat exchangers. trộn, thiết bị trao đổi nhiệt). • Apply the energy balance to general unsteady- • Áp dụng bài toán cân bằng năng lượng flow processes with particular emphasis on the uniform-flow process as the model for cho một số hệ không ổn định thường commonly encountered charging and gặp (nạp và xả môi chất). discharging processes. 1
4/13/2018 5.1: Nguyên lý bảo toàn vật chất (Mass conservation) • Conservation of mass: Mass, like energy, is a • Bảo toàn khối lượng: Vật chất không bị mất đi conserved property, and it cannot be created hay sinh ra trong 1 quá trình, chỉ có thể biến or destroyed during a process. đổi. • Closed systems: The mass of the system • Hệ kín: Lượng vật chất của hệ là hằng số. remain constant during a process. • Hệ hở: Vật chất có thể đi qua biên hệ. Cần phải • Control volumes: Mass can cross the xác định và kiểm soát lượng vật chất truyền boundaries, and so we must keep track of the qua biên hệ. amount of mass entering and leaving the control volume. Lưu lượng khối lượng của dòng chảy • Lưu lượng khối lượng (Mass flow rate): ρ: khối lượng riêng (kg/m3) V: Vận tốc pháp tuyến (m/s) • Vận tốc trung bình: A: Diện tích thiết diện (m2) 2
4/13/2018 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: 3
4/13/2018 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: ▫ 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) 4
4/13/2018 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. P1 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 5
Slide 10 P1 Prof.Diem; 02/04/2018
4/13/2018 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. 6
4/13/2018 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: Note: Hầu hết thường gặp các hệ hở tĩnh tại, ổn Question: Tại sao hệ hở có dòng chảy mà lại nói “Hệ tĩnh tại” và định, một chiều. bỏ qua động năng của hệ? Answer: Dòng chảy vào/ra hệ, còn hệ thì đứng im. Ví dụ động cơ tuabin phát điện. 7
4/13/2018 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: ▫ ; ∆ 0 8
4/13/2018 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. # $ô& ấ () - Với dòng chảy, không tồn tại công dịch chuyển biên hệ: *# *+ 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. 9
4/13/2018 5.4: Phân tích năng lượng một số thiết bị tiêu biểu Steady-state engineering devices • Nozzles/Diffusers: ống - Các thiết bị trong các nhà máy như tuabin, máy nén, bơm … phun/khuếch tán – tăng tốc/giảm thường làm việc liên tục hàng tháng mới cần dừng để bảo dưỡng. tốc dòng chảy. - Các quá trình trong các thiết bị đó là ổn định (steady). • Turbines/Compressors: Động cơ Tuabin/Máy nén: ▫ 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. 1. Ống phun/Ống khuếch tán (Nozzles and Diffusers) • Ống phun và ống khuếch 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; ▫ Ống khuếch tán là thiết bị Note 1: tăng áp suất dòng chảy khi - Ở dải tốc độ nhỏ hơn âm thanh giảm tốc độ dòng. (subsonic), ống phun có thiết diện nhỏ dần; Ngược lại, ở tốc độ siêu âm • Ống phun và Ống khuếch (supersonic), ống phun có thiết tăng dần. tán ngược nhau - Tương tự đối với ống khuếch tán. 10
4/13/2018 1. Ống phun/Ống khuếch tán (Nozzles and Diffusers) 1. Ống phun/Ống khuếch tán (Nozzles and Diffusers) • Với ống phun, ống khuếch tán: ▫ Không có trao đổi nhiệt qua biên hệ: Q = 0; ▫ Không có trao đổi công qua biên hệ: W = 0; ▫ Thế năng thay đổi không đáng kể: ∆PE = 0 'PE = m.g(z2 – z1); (z2 – z1) ≈ 0; ▫ Chỉ có động năng của dòng thay đổi: ∆KE ≠ 0 +// 0 +1/ / ∆- . ; +/ ≫ +1/ 2 11
4/13/2018 Cân bằng năng lượng Nozzle/Diffuser • Tổng quát: Q=0 W=0 ∆PE = 0 • Cân bằng năng lượng ống phun/khuếch tán 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: ▫ a/ tốc độ dòng hơi vào ống phun; ▫ b/ nhiệt độ hơi ra khỏi ống phun. 12
4/13/2018 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
4/13/2018 2. Tuabin và máy nén (Turbines & Compressors) Cân bằng năng lượng Turbine/Compressor • W>0 cho tuabin; W 0; ▫ Với máy nén ∆KE rất nhỏ; ▫ Với bơm ∆KE rất nhỏ. 14
4/13/2018 Cân bằng năng lượng Turbine/Compressor • 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? Cân bằng năng lượng Turbine/Compressor • 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. 15
4/13/2018 3. Tiết lưu (Throttling) • Van tiết lưu: là thiết bị tạo 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. • Áp suất giảm thường kèm theo hiệu ứng giảm nhiệt Thiết bị tiết lưu: - Van tiết lưu: thay đổi độ mở bằng tay hoặc độ. tự động; ▫ Van tiết lưu thường sử - Lỗ tiết lưu: thiết diện không đổi; dụng trong các thiết bị - Ống mao dẫn: là đoạn ống nhỏ (tủ lạnh) làm lạnh. Cân bằng năng lượng Throttling • Throttling: ▫ P1>P2 ▫ Q≅0 ▫ W=0 ▫ ∆PE ≅ 0 ▫ ∆KE ≅ 0 Note: Tổng nội năng (u) và năng • Cân bằng năng lượng lượng dòng chảy (Flow work, P.v) là quá trình tiết lưu: không đổi, chúng biến đổi lẫn nhau. 16
4/13/2018 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 0,02MPa. Hãy xác định: ▫ a/ phẩm chất (x) của công chất sau tiết lưu. ▫ Nhiệt độ trước, sau tiết lưu và độ giảm nhiệt độ. Note: - Tiết lưu không khí không làm giảm nhiệt độ vì h = f(T), h1 = h2 → T1 = T2. - 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: ▫ Không trao đổi nhiệt Q ≅ 0. ▫ Không trao đổi công W = 0. ▫ Không thay đổi thế năng ∆PE ≅ 0 ▫ Không thay đổi động năng ∆KE ≅ 0 • Bảo toàn khối lượng(hệ ổn định): • Bảo toàn năng lượng: 17

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.