Bài giảng Nhiệt động lực học kỹ thuật: Chương 8 - TS. Nguyễn Minh Phú

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 8: KHOÂNG KHÍ AÅM

CHÖÔNG 8 KKHHOOÂÂNNGG KKHHÍÍ AAÅÅMM

1. TOÅNG QUAÙT

1.1. KHAÙI NIEÄM

Khoâng khí aåm laø hoån hôïp cuûa khoâng khí khoâ (oxi, nitô, …) vaø hôi nöôùc.

Löôïng hôi nöôùc trong khoâng khí aåm raát nhoû nhöng coù aûnh höôûng quan troïng ñoái

vôùi sinh hoaït con ngöôøi cuõng nhö caùc quaù trình coâng ngheä.

Hôi nöôùc trong khoâng khí aåm coù phaân aùp suaát raát nhoû (khoaûng

0,02 0,027bar) ôû nhieät ñoä bình thöôøng hôi nöôùc ôû traïng thaùi hôi quaù nhieät.

Ví duï minh hoïa hôi nöôùc trong khoâng khí aåm ôû traïng thaùi hôi quaù nhieät.

KHOÂNG KHÍ AÅM = KHOÂNG KHÍ KHOÂ + HÔI NÖÔÙC

= Theå tích V = Vk Vh

+ Aùp suaát p = pk ph

= Nhieät ñoä t = tk th

+ Khoái löôïng G = Gk Gh

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-1-

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 8: KHOÂNG KHÍ AÅM

1.2. CAÙC LOAÏI KHOÂNG KHÍ AÅM

1. Khoâng khí aåm chöa baõo hoøa (traïng thaùi A)

Neáu hôi nöôùc trong KKA ôû traïng thaùi hôi quaù nhieät (A) thì KKA ñöôïc

goïi laø KKA chöa baõo hoøa, phaân aùp suaát cuûa hôi nöôùc ph nhoû hôn phaân aùp suaát baõo hoaø ôû cuøng nhieät ñoä cuûa KKA phbh. Ñoái vôùi KKA chöa baõo hoaø thì nöôùc coù tuï. ñöôïc theå ngöng chöa vaøo boác hôi noù bò vì

2. Khoâng khí aåm baõo hoøa (traïng thaùi B, C)

Laø KKA maø hôi nöôùc chöùa trong noù ôû traïng thaùi hôi baõo hoøa khoâ (B, C),

neáu cho theâm hôi nöôùc vaøo KKA baõo hoaø thì noù seõ ngöng tuï thaønh nhöõng gioït li

ti

Coù 2 caùch bieán KKA chöa baõo hoaø thaønh khoâng khí aåm baõo hoaø:

- Giöõ nhieät ñoä KKA khoâng ñoåi (t = const), taêng theâm löôïng hôi nöôùc (cho

nöôùc bay hôi vaøo khoâng gian chöùa KKA), töùc taêng phaân aùp suaát cuûa hôi

nöôùc ñeán khi ñaït ñeán traïng thaùi baõo hoaø. Quaù trình naøy bieåu dieån treân ñoà

thò baèng ñoaïn AB.

- Giöõ phaân aùp suaát cuûa hôi nöôùc trong KKA khoâng ñoåi (ph = const), haï nhieät ñoä KKA (laøm laïnh khoái KKA) ñeán nhieät ñoä baõo hoøa töông öùng vôùi

phaân aùp suaát cuûa hôi nöôùc ph trong KKA. Quaù trình naøy ñöôïc theå hieän

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-2-

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 8: KHOÂNG KHÍ AÅM

treân ñoà thò baèng ñöôøng AC, nhieät ñoä tc ñöôïc goïi laø nhieät ñoä ñieåm söông (tc = tñs)

t phbh = phmax

ph tñs

t (baèng khi KKA ôû traïng thaùi baõo hoøa) tñs

3. Khoâng khí aåm quaù baõo hoøa (traïng thaùi D)

Laø KKA maø hôi nöôùc chöùa trong noù ôû traïng thaùi hôi baõo hoøa aåm (D).

KKA quaù baõo hoøa khoâng beàn vöõng vì moät löôïng hôi nöôùc seõ bò ngöng tuï laïi

vaø taùch khoûi KKA, nhö vaäy KKA quaù baõo hoøa seõ daàn daàn trôû laïi traïng thaùi

KKA baõo hoøa.

2. CAÙC THOÂNG SOÁ CUÛA KHOÂNG KHÍ AÅM

2.1. ÑOÄ AÅM TUYEÄT ÑOÁI

Laø khoái löôïng hôi nöôùc chöùa trong 1m3 KKA

, kg/m3

2.2. ÑOÄ AÅM TÖÔNG ÑOÁI

Ñoä aåm töông ñoái ñöôïc bieåu thò baèng tyû soá giöõa ñoä aåm tuyeät ñoái cuûa KKA

vaø ñoä aåm tuyeät ñoái cuûa KKA baõo hoøa coù cuøng nhieät ñoä laø

Do ñoù ñoä aåm töông ñoái theå hieän khaû naêng chöùa theâm löôïng hôi nöôùc cuûa

KKA lôùn hay nhoû. Neáu ñoä aåm töông ñoái nhoû, noù bieåu thò khoâng khí naøy coù khaû

naêng nhaän theâm hôi nöôùc lôùn vaø ngöôïc laïi.

Vì hôi nöôùc trong KKA xem nhö laø khí lyù töôûng neân:

Do ñoù

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-3-

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 8: KHOÂNG KHÍ AÅM

Trong ñoù phmax laø aùp suaát baõo hoøa cuûa hôi nöôùc öùng vôùi nhieät ñoä KKA.

2.3. ÑOÄ CHÖÙA HÔI d (DUNG AÅM)

Laø löôïng hôi nöôùc coù trong KKA öùng vôùi 1kg khoâng khí khoâ:

, kghơinước/kgkkkhô

Ta coù G = Gk + Gh

Vì hôi nöôùc trong KKA xem nhö laø khí lyù töôûng neân:

Do ñoù

Thay vaø pk = p – ph vaøo ta ñöôïc:

2.4. ENTANPI CUÛA KHOÂNG KHÍ AÅM

Goïi I laø entanpi cuûa KKA, ik laø entanpi cuûa khoâng khí khoâ, ih laø entanpi

cuûa hôi nöôùc. Entanpi cuûa KKA ñöôïc tính öùng vôùi 1kg khoâng khí khoâ.

I = ik + d.ih kJ/kgkkk

ik = cp,kt = t, kJ/kgkkk

cp,k 1kJ/kg: nhieät dung rieâng ñaúng aùp cuûa khoâng khí khoâ

ih = r + cp,ht = 2500 + 1,84t, kJ/kghôinöôùc

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-4-

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 8: KHOÂNG KHÍ AÅM

r- aån nhieät hoùa hôi cuûa nöôùc

cp,h- nhieät dung rieâng ñaúng aùp cuûa hôi nöôùc ôû 0oC

Vaäy I = t + d(2500 + 1,84t), kJ/kgkkk

2.5. NHIEÄT ÑOÄ ÑOÏNG SÖÔNG

Nhö ñaõ trình baøy trong phaàn 1.2. Khi laøm laïnh khoái KKA chöa baõo hoøa

thaønh KKA baõo hoøa trong ñieàu kieän phaân aùp suaát cuûa hôi nöôùc khoâng ñoåi ph = const ( d =const). Ñaây cuõng chính laø nhieät ñoä hôi nöôùc trong KKA ngöng tuï

thaønh nöôùc.

2.6. NHIEÄT ÑOÄ NHIEÄT KEÁ ÖÔÙT

Nhieät ñoä nhieät keá tö laø nhieät ñoä öùng vôùi traïng thaùi KKA baõo hoøa coù cuøng entanpi vôùi KKA ñang khaûo saùt. tö t, baèng khi

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-5-

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 8: KHOÂNG KHÍ AÅM

3. ÑOÀ THÒ KHOÂNG KHÍ AÅM

Coù hai loaïi ñoà thò thöôøng ñöôïc söû duïng laø ñoà thò t-d vaø I-d.

3.1. ÑOÀ THÒ t – d (ÑOÀ THÒ CARRIER)

3.1. ÑOÀ THÒ I – d (ÑOÀ THÒ MOLLIER)

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-6-

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 8: KHOÂNG KHÍ AÅM

4. CAÙC QUAÙ TRÌNH NHIEÄT ÑOÄNG CÔ BAÛN CUÛA KHOÂNG

KHÍ AÅM

4.1. QUAÙ TRÌNH GIA NHIEÄT

Khi caáp nhieät Q cho doøng KKA, löôïng hôi nöôùc trong doøng khí khoâng

thay ñoåi (d = const). Doøng khí ñöôïc caáp theâm naêng löôïng neân entanpi I vaø nhieät

ñoä t taêng, ñoä aåm töông ñoái giaûm xuoáng.

Nhieät löôïng cung caáp cho quaù trình gia nhieät: Q = I2 – I1, kJ/kgkkk

4.2. QUAÙ TRÌNH LAØM LAÏNH

Laøm laïnh treân nhieät ñoä ñoïng söông: t2 > tñs

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-7-

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 8: KHOÂNG KHÍ AÅM

Laøm laïnh ñeán nhieät ñoä ñoïng söông: t2 = tñs,

Laøm laïnh döôùi nhieät ñoä ñoïng söông: t2 < tñs, , moät phaàn hôi nöôùc trong KKA ngöng tuï laïi vaø coù giaù trò baèng = d1 – d2, kghn/kgkkk. Goïi Gn laø löôïng nöôùc caàn laáy khoûi KKA trong moät ñôn vò thôøi gian thì löôïng khoâng khí khoâ

caàn thoåi qua daøn laïnh laø , vaäy

) löôïng KKA tröôùc vaø sau daøn laïnh laø G1=Gkkk(1+d1), G2=Gkkk(1+d2)=Gkkk(1+d1 –

Trong thöïc teá khi laøm laïnh ñeán hoaëc döôùi nhieät ñoä ñoïng söông, do coù

hieän töôïng loït khoâng khí neân khoâng khí aåm ra khoûi daøn laïnh laø hoån hôïp giöõa

khoâng khí coù ñoä aåm vaø khoâng khí coù ñoä aåm vì theá khoâng

khí ra khoûi daøn laïnh coù .

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-8-

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 8: KHOÂNG KHÍ AÅM

Ví duï quaù trình laøm laïnh döôùi nhieät ñoä ñoïng söông trong thöïc teá.

Nhieät löôïng caàn laáy khoûi KKA hay naêng suaát thieát bò laïnh trong caùc

tröôøng hôïp treân laø: Q = I1 – I2, kJ/kgkkk

4.3 SAÁY LYÙ THUYEÁT

Saáy laø quaù trình taùch aåm baèng nhieät. Sô ñoà nguyeân lyù nhö sau:

Khoâng khí ban ñaàu ôû traïng thaùi 1 ñöôïc quaït ñaåy qua boä gia nhieät (quaù

trình gia nhieät), sau ñoù doøng khoâng khí noùng 2 naøy ñöôïc thoåi vaøo buoàng saáy,

vaät saáy seõ nhaän nhieät töø doøng khí vaø boác hôi nöôùc ra khoûi vaät ñeå truyeàn vaøo

doøng khoâng khí thoåi qua. Nhieät ñoä cuûa khoâng khí giaûm xuoáng, ñoä aåm vaø ñoä

chöùa hôi taêng leân, do vaät nhaän nhieät töø doøng khí ñeå boác hôi vaø traû laïi doøng khí

döôùi daïng hôi nöôùc mang vaøo neân I3 = I2 (saáy lyù thuyeát)

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-9-

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 8: KHOÂNG KHÍ AÅM

Goïi Gn laø löôïng nöôùc caàn laáy khoûi vaät saáy trong moät ñôn vò thôøi gian thì

löôïng khoâng khí khoâ caàn thoåi qua heä thoáng laø , vaäy löôïng

KKA qua quaït laø G1=Gkkk(1+d1).

4.4. QUAÙ TRÌNH HOØA TROÄN

Caùc phöông trình caân baèng:

(1) - Caân baèng khoái löôïng: G3 = G1 + G2

- Caân baèng naêng löôïng: (2) I3G3 = I1G1 + I2G2

- Caân baèng ñoä chöùa hôi: d3G3 = d1G1 + d2G2 (3)

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-10-

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 8: KHOÂNG KHÍ AÅM

(2) I3(G1 + G2) = I1G1 + I2G2  G1(I3 – I1) = G2(I2 – I3)

(3) d3(G1 + G2) = d1G1 + d2G2  G1(d3 – d1) = G2(d2 – d3)

 ñaây laø phöông trình ñöôøng thaúng qua 3 ñieåm 1,2,3 neân ñieåm

hoøa troän 3 naèm treân ñoaïn thaúng 12

(tam giaùc ñoàng daïng)

Caùc thoâng soá cuûa doøng khí sau khi hoøa troän:

5. BAØI TAÄP

 Xaùc ñònh caùc thoâng soá cuûa KKA khi bieát t = 30oC vaø tñs = 20oC

Xaùc ñònh caùc thoâng soá cuûa KKA khi bieát t = 30oC vaø tö = 25oC

Xaùc ñònh caùc thoâng soá cuûa KKA khi bieát tö = 25oC vaø tñs = 20oC

 Khoâng khí aåm coù d1=19g/kg vaø t1=30oC, ñöôïc gia nhieät ñeán nhieät ñoä t2=80oC vaø sau ñoù cho ñi vaøo buoàng saáy. Khi ra khoûi buoàng saáy nhieät ñoä cuûa khoâng khí laø t3=45oC. Xaùc ñònh nhieät löôïng caàn thieát ñeå laáy ñi 2kg nöôùc töø vaät caàn saáy.

Neáu chæ gia nhieät khoâng khí ñeán 70oC (t’2=70oC

hoaï (p0=1bar)

 Moät daøn laïnh khoâng khí coù caùc thoâng soá nhö sau: khoâng khí vaøo coù löu löôïng theå tích V = 5000m3/h, nhieät ñoä nhieät keá khoâ chæ t1=35oC, nhieät ñoä nhieät keá öôùt chæ t1ö =30oC, nhieät ñoä khoâng khí ra khoûi daøn laïnh t2=10oC vaø =80%.

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-11-

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 8: KHOÂNG KHÍ AÅM

Ñoä taêng nhieät ñoä cuûa nöôùc laïnh sau khi qua daøn laïnh =5oC, nhieät dung

rieâng cuûa nöôùc cpn=4,18kJ/kgñoä.

a. Tính naêng suaát daøn laïnh Q0 [kW]

b. Tính löu löôïng nöôùc laïnh vaø nöôùc ngöng tuï [kg/h]

c. Bieåu dieån quaù trình khoâng khí aåm treân ñoà thò I-d vaø t-d.

Khi tính khoâng söû duïng ñoà thò I-d vaø t-d. Aùp suaát khí trôøi xem laø 1bar.

 Khoâng khí aåm tröôùc khi ñi vaøo daøn laïnh coù t1 = 320C vaø 1 = 80%. Sau khi ra khoûi daøn laïnh, ngöôøi ta thaáy t2 = tñs1 – 100C vaø 2 = 100%, trong ñoù tñs1 laø nhieät ñoä ñoïng söông öùng vôùi traïng thaùi khoâng khí tröôùc khi ñi vaøo daøn laïnh. Cho bieát löu löôïng khoâng khí ñi qua daøn laïnh laø 7500 m3/h.

a- Veõ bieåu dieãn quaù trình ñang khaûo saùt treân ñoà thò I-d vaø t-d. (0,5 ñieåm)

b- Xaùc ñònh naêng suaát lyù thuyeát cuûa daøn laïnh. (1 ñieåm)

 Moät thieát bò saáy thoâng duïng goàm quaït – calorifer – buoàng saáy, saûn phaåm töôi luùc ñöa vaøo buoàng saáy coù khoái löôïng Gñ =800kg, saûn phaåm sau khi saáy khoâ ñaït yeâu caàu coù Gc =500kg, thôøi gian saáy =3giôø. Khoâng khí vaøo calorifer coù thoâng soá: nhieät ñoä nhieät keá khoâ t1=30oC, nhieät ñoä nhieät keá öôùt tö =25oC, nhieät ñoä khoâng khí ra khoûi calorifer t2=60oC, nhieät ñoä khoâng khí thaûi khoûi buoàng saáy t3=35oC.

a. Bieåu dieån caùc quaù trình nhieät ñoäng cuûa khoâng khí aåm treân ñoà thò I-d.

b. Tính löu löôïng quaït cuûa maùy saáy Gk[kg/h]

c. Tính nhieät löôïng caáp cho calorifer Q [kW]

Caùc toån thaát phuï cuûa maùy saáy coù theå boû qua.

 Khoâng khí aåm ôû traïng thaùi ban ñaàu coù aùp suaát p1 = 0,1 MPa, nhieät ñoä t1 = 100C, ñoä aåm töông ñoái 1 = 60%. Khoâng khí aåm naøy ñöôïc neùn theo quaù trình ña bieán vôùi n = 1,25 ñeán traïng thaùi 2 coù nhieät ñoä t2 = 600C (xem khoâng khí aåm nhö khí lyù töôûng ñeå xöû lyù trong quaù trình neùn vaø xem nhö d = const trong quaù trình

neùn).

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-12-

Baøi giaûng Nhieät ñoäng hoïc kyõ thuaät

CHÖÔNG 8: KHOÂNG KHÍ AÅM

a/ Xaùc ñònh aùp suaát p2.

b/ Xaùc ñònh ñoä aåm töông ñoái cuûa khoâng khí 2.

 Moät maùy saáy luùa coù caùc thoâng soá sau: khoái löôïng luùa töôi G1 = 4000kg, khoái

= 5h, nhieät ñoä löôïng luùa sau khi saáy G2 = 3000kg, thôøi gian saáy moät meû

khoâng khí vaøo buoàng saáy , hôi ñi vaøo boä gia nhieät ñöôïc cung caáp töø loø

hôi ñoát daàu DO, hieäu suaát loø hôi 60% vaø nhieät trò daàu DO laø Qnl = 9000

kcal/kg. Khoâng khí thaûi ra khoûi buoàng saáy coù nhieät ñoä 350C, moâi tröôøng khoâng

khí xung quanh coù vaø

a/ Tính thoâng soá cuûa khoâng khí aåm taïi caùc ñieåm ñaëc tröng vaø bieåu dieãn

quaù trình saáy treân ñoà thò I-d.

b/ Tính löu löôïng quaït (m3/h), löu löôïng hôi cung caáp cho boä gia nhieät,

löôïng daàu tieâu hao cuûa loø trong moät giôø. Cho bieát aùp keá loø hôi chæ p = 5bar, hôi

vaøo boä gia nhieät coù ñoä khoâ x = 0,95 vaø nöôùc ngöng thaûi coù nhieät ñoä 900C

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-13-