Chương 2 Các quá trình nhit ñng cơ bn
- 27-
Chương 2
CÁC QUÁ TRÌNH NHIT ðNG CƠ BN
2.1. Khái nim
2.1.1. Hơi nưc là 1 khí thc
Hơi nưc có rt nhiu ưu ñim so vi các môi cht khác như có nhiu trong
thiên nhiên, r tin và ñc bit là không ñc hi ñi vi môi trưng và không ăn mòn
thit b, do ñó nó ñưc s dng rt nhiu trong các ngành công nghip. Hơi nưc
thưng ñưc s dng trong thc t trng thái gn trng thái bão hoà nên không th
b qua th tích bn thân phân t và lc hút gia chúng. Vì vy, không th dùng
phương trình trng thái lí tưng cho hơi nưc ñưc.
Phương trình trng thái cho hơi nưc ñưc dùng nhiu nht hin nay là phương trình
Vukalovich-novikov:
( )
3
2
2
1
m
a c
p v b RT
VT
+
+ − = −
ñây :
, ,
a b m
là các h s ñưc xác ñnh bng thc nghim.
T công thc này ngưi ta ñã xây dng bng và ñ th hơi nưc .
2.1.2 Quá trình hoá hơi ca nưc
Nưc có th chuyn t th lng sang th hơi nh quá trình hoá hơi. Quá trình
hoá hơi có th là bay hơi hoc sôi.
* Quá trình bay hơi:
Quá trình bay hơi là quá trình hoá hơi ch! xy ra trên b mt thoáng cht lng, nhit
ñ bt kì.
- ðiu kin ñ xy ra quá trình bay hơi : Mun xy ra quá trình bay hơi thì cn phi có
mt thoáng.
- ðc ñim c#a quá trình bay hơi: Quá trình bay hơi xy ra do các phân t nưc trên b
mt thoáng có ñng năng ln hơn sc căng b mt và thoát ra ngoài, bi vy quá trình
bay hơi xy ra bt kì nhit ñ nào.
- Cưng ñ bay hơi ph thuc vào bn cht và nhit ñ c#a cht lng. Nhit ñ càng
cao thì tc ñ bay hơi càng ln.
* Quá trình sôi:
Quá trình sôi là quá trình hoá hơi xy ra c trong lòng th tích cht lng.
- ðiu kin ñ xy ra qu trình sôi: Khi cung cp nhit cho cht lng thì nhit ñ c#a
nó tăng lên và cưng ñ bay hơi cũng tăng lên, ñn mt nhit ñ xác ñnh nào ñó thì
hin tưng bay hơi xy ra c trong toàn b th tích cht lng, khi ñó các b%t hơi xut
hin c trên b mt nhn nhit l&n trong lòng cht lng, ta nói cht lng sôi. Nhit ñ
ñó ñưc g%i là nhit ñ sôi hay nhit ñ bão hoà.
- ðc ñim c#a quá trình sôi: Nhit ñ sôi ph thuc vào bn cht và áp sut c#a cht
lng ñó. áp sut không ñ'i nào ñó thì nhit ñ sôi c#a cht lng không ñ'i, khi áp
sut cht lng càng cao thì nhit ñ sôi càng ln và ngưc li.
2.1.3 Quá trình ngưng t
Quá trình ngưc li vi quá trình sôi là quá trình ngưng t, trong ñó hơi nh
nhit và bin thành cht lng. Nhit ñ c#a cht lng không thay ñ'i sut trong quá
trình ngưng t.
Chương 2 Các quá trình nhit ñng cơ bn
- 28-
2.2. Quá trình hóa hơi ñng áp
2.2.1 Mô t quá trình
Gi thit nưc b(t ñu trng thái O trên ñ th p-v và T-s (xem hình) có nhit
ñ
t
, th tích riêng là
. Khi cung cp nhit cho nưc trong ñiêu kin áp sut không
ñ'i
p const
=
, nhit ñ và th tích riêng tăng lên. ðn nhit ñ nào ñó thì nưc b(t
ñu sôi, có th tích riêng là
'
v
và các thông s trng thái khác tương ng là: u’, i’, s’,
trng thái sôi ñưc biu th bng ñim A..
s
t
ñưc g%i là nhit ñ sôi hay nhit ñ bão
hoà ng vi áp sut
p
.
Nu tip tc cp nhit v&n áp sut ñó thì cưng ñ bc hơi càng tăng nhanh,
nhit ñ c#a nưc và hơi không thay ñ'i và bng
s
t
. ðn mt lúc nào ñó thì toàn b
nưc s) bin hoàn toàn thành hơi trong khi nhit ñ c#a hơi v&n còn gi nhit ñ
s
t
.
Hơi nưc trng thái này ñưc g%i là hơi bão hoà khô, ñưc bi*u di*n bng ñim C.
Các thông s ti ñim C ñưc kí hiu là v’’, u’’, i’’, s’’. Nhit lưng cp vào cho 1 kg
nưc t khi b(t ñu sôi ñn khi bin thành hơi hoàn toàn ñưc g%i là nhit +n hoá hơi,
kí hiu là
" '
r i i
= −
.
Nu ta cung cp nhit cho hơi bão hoà khô v&n áp sut ñó thì nhit ñ và th
tích riêng c#a nó li b(t ñu tip tc tăng lên. Hơi nưc nhit ñ này g%i là hơi quá
nhit. Các thông s hơi quá nhit kí hiu là v, p, t, i, s. Hiu s nhit ñ c#a hơi quá
nhit và hơi bão hoà ñưc g%i là ñ quá nhit. ð quá nhit càng cao thì hơi càng gn
vi khí lí tưng.
Vy áp sut
p
không ñ'i, khi cp nhit cho nưc ta s) có các trng thái O,
A, C tương ng vi nưc chưa sôi, nưc sôi và hơi bão hoà khô. Quá trình ñó ñưc
g%i là quá trình hoá hơi ñng áp.
Tương t như vy, nu cp nhit ñ,ng áp cho nưc áp sut 1
p const
=
thì
ta có các trng thái tương ng kí hiu
1 1 1
, ,
O A C
và áp sut p2 = const ta cũng có các
ñim tương ng là
2 2 2
, ,
O A C
....
2.2.2 Các ñưng ñc tính ca nưc
Khi ni các ñim
O
,
1
O
,
2
O
,
3
O
...........ta ñưc mt ñưng g%i là ñưng nưc
chưa sôi, ñưng này gn nhà th,ng ñng, chng t th tích riêng c#a nưc rt ít ph
thuc vào áp sut.
Chương 2 Các quá trình nhit ñng cơ bn
- 29-
Khi ni các ñim
1 2 3
, , ,
A A A A
...........ta ñưc mt ñưng cong biu th trng thái nưc
sôi g%i là ñưng gii hn dưi. Khi nhit ñ sôi tăngthì th tích riêng c#a nưc sôi
,
v
tăng, do ñó ñưng cong này dch dn v phía bên phi khi tăng áp sut.
Khi ni các ñim
1 2 3
, , ,
C C C C
........ta ñưc mt ñưng cong biu th trng thái hơi
bão hoà khô, g%i là ñưng gii hn trên. Khi áp sut tăng thì th tích riêng c#a hơi bão
hoà khô gim nên ñưng cong này dch v phía trái.
ðưng gii hn trên và ñưng gii hn dưi gp nhau ti ñim
K
, g%i là ñim ti hn.
Trng thái ti ñim
K
g%i là trng thái ti hn, ñó chính là trng thái mà không còn s
khác nhau gia cht lng sôi và hơi bão hào khô. Các thông s tương ng vi trng
thái ñó ñưc g%i là thông s ti hn.
*Ví d: nưc có
22,1
k
p Mpa
=
,
374
o
k
t C
=
,
3
0.00326 /
k
v m kg
=
,
2156,2 /
k
i kj kg
=
,
4,43 /
k
s kj kg
=
ñ.
Hai ñưng gii hn trên và dưi chia ñ th làm 3 vùng. Vùng bên trái ñưng gii hn
dưi là vùng nưc chưa sôi, vùng bên phi ñưng gii hn trên là vùng hơi quá nhit,
còn vùng gia hai ñưng gii hn là vùng hơi bão hoà m.
Trong vùng bão hoà +m thì nhit ñ và áp sut không còn là thông s ñc lp
na. ng vi nhit ñ sôi, môi cht có áp sut nht ñnh và ngưc li mt áp sut xác
ñnh, môi cht có nhit ñ sôi tương ng. Vì vy, vùng này mun xác ñnh trng thái
c#a m-i cht phi dùng thêm mt thông s na g%i là ñ khô
x
hay ñ +m
y
c#a
hơi,(
1
y x
= −
).
Nu xét
G
kg h-n hp hơi và nưc (hơi +m), trong ñó g m
h h
x n h
G G
x
G G G
= =
+
hoc ñ +m:
n
n h
G
y
G G
=
+
Như vy ta thy: Trên ñưng gii hn dưi lưng hơi
0
h
G
=
, do ñó ñ khô
0
x
=
,
ñ +m
1
y
=
. Còn trên ñưng gii hn trên, lưng nưc ñã bin hoàn toàn toàn thành
hơi nên
n
G
=
nghĩa là ñ khô
1
x
=
, ñ +m
0
y
=
và gia hai ñưng gii hn có ñ
khô:
0 1
x
< <
.
2.3. Xác ñnh các thông s trng thái ca nưc và hơi bo hòa
Cũng như hơi c#a các cht lng khác, hơi nưc là mt khí thc, do ñó không
th tính toán theo phương trình trng thái c#a khí lí tưng ñưc. Mun tính toán chúng
cn phi s dng các ñ th hoc bng s ñã ñưc lp s/n cho tng loi hơi.
2.3.1. Các bng và xác ñnh thông s trng thái ca nưc
* Bng nưc chưa sôi và hơi quá nhit:
ð xác ñnh trng thái môi cht ta cn bit hai thông s trng thái ñc lp.
Trong vùng nưc chưa sôi và vùng hơi quá nhit, nhit ñ và áp sut là hai thông s
ñc lp, do ñó bng nưc chưa sôi và hơi quá nhit ñưc xây dng theo hai thông s
này. Bng nưc chưa sôi và hơi quá nhit ñưc trình bày phn ph lc, bng này cho
phép xác ñnh các thông s trng thái
, ,
v i s
c#a nưc chưa sôi và hơi quá nhit ng
vi mt áp sut và nhit ñ xác ñnh nào ñó.
T ñó ñnh ñưc:
Chương 2 Các quá trình nhit ñng cơ bn
- 30-
u i pv
= −
* Bng nưc sôi và hơi bão hòa khô:
Khi môi cht có trng thái trong vùng gia ñưng gii hn dưi (ñưng nưc
sôi) và ñưng gii hn trên (ñưng hơi bão hào khô) thì nhit ñ và áp sut không còn
là hai thông s ñc lp na, vì vy mun xác ñnh trng thái c#a môi cht thì cn bit
thêm mt thông s khác na.
ð khô cũng là mt thông s trng thái. Nưc sôi có ñ khô
0
x
=
, hơi bão hòa
khô có ñ khô
1
x
=
, như vy trng thái c#a môi cht trên các ñưng gii hn này s)
ñưc xác ñnh khi bit thêm mt thông s trng thái na là áp sut
p
hoc nhit ñ
t
.
Chính vì vy các thông s trng thái khác c#a nưc sôi và hơi bão hòa khô có th ñưc
xác ñnh bng bng nưc sôi và hơi bão hoà khô theo áp sut hoc nhit ñ.
Bng “nưc sôi và hơi bão hòa khô” có th cho theo
p
hoc
t
, ñưc trình bày trong
phn ph lc, cho bit các thông s trng thái c#a nưc sôi (
'
v
,
’, ’
i s
), hơi bão hòa khô
(
”, ”, ”
v i s
) và nhit +n hoá hơi
r
theo áp sut hoc theo nhit ñ.
Khi môi cht trong vùng hơi +m, các thông s trng thái c#a nó có th ñưc
tính theo các thông s trng thái tương ng trên các ñưng gii hn và ñ khô
x
cùng áp sut.
Vi d: Trong 1kg hơi +m có ñ khô
x
, s) có
x
kg hơi bão hòa khô vi th tích
”
v
và
(
)
1-
x
kg nưc sôi vi th tích
’
v
. Vy th tích riêng c#a hơi +m s) là:
(
)
(
)
” 1- ’ ’ ” – ’
x
v xv x v v x v v
= + = +
Như vy, mun xác ñnh các thông s trng thái c#a hơi +m có ñ khô
x
áp sut
p
,
trưc ht da vào bng “nưc sôi và hơi bão hòa khô” ta xác ñnh các thông s
’, ’, ’
v i s
c#a nưc sôi và
”, ”, ”
v i s
c#a hơi bão hòa khô theo áp sut
p
, sau ñó tính các
thông s tương ng c#a hơi +m theo công thc:
(
)
' '' - '
x
x
Φ = Φ + Φ Φ
Trong ñó:
+
x
Φ
là thông s trng thái c#a hơi bão hòa +m có ñ khô
x
(ví d
, ,
x x x
v i s
),
+
'
Φ
là thông s trng thái
’, ’, ’
v i s
c#a nưc sôi tương ng trên ñưng x=0
+
''
Φ
là thông s trng thái
”, ”, ”
v i s
c#a hơi bão hòa khô tương ng trên ñưng
1
x
=
cùng áp sut.
2.3.2. ð th T-s và i-s ca hơi nưc
Các bng hơi nưc cho phép tính toán các thông s trng thái vi ñ chính xác
cao, tuy nhiên vic tính toán phc tp và mt nhiu thi gi. ð ñơn gin vic tính
toán, ta có th dùng ñ th c#a hơi nưc. Da vào ñ th có th xác ñnh các thông s
còn li khi bit 2 thông s ñc lp vi nhau. ði vi hơi nưc, thưng dùng các ñ th
T-s, i-s.
* ð th T -s c#a hơi nưc:
ð th T-s c#a hơi nưc ñưc biu th trên hình, trc tung c#a ñ th bi*u di*n
nhit ñ, trc hoành biu di*n entropi. ñây các ñưng ñ,ng áp trong vùng nưc chưa
sôi gn như trùng vi ñưng gii hn gii
0
x
=
(thc t nm trên ñưng
0
x
=
),
trong vùng hơi bão hoà +m là các ñưng th,ng song song vi trc hoành và trùng vi
ñưng ñ,ng nhit, trong vùng hơi quá nhit là các ñưng cong lõm ñi lên. Các ñưng
ñ khô không ñ'i xut phát t ñim
K
ñi ta xung phía dưi.
ð th T-s ñưc xây dng cho vùng hơi bão hòa và vùng hơi quá nhit.
Chương 2 Các quá trình nhit ñng cơ bn
- 31-
* ð th i-s ca hơi nưc:
Theo ñnh lut nhit ñông th nht ta có
q i l
= −
, mà trong quá trình ñ,ng áp
0
dp
=
do ñó
0
l
=
, vy
2 1
q i i i
= = −
. Nghĩa là trong quá trình ñ,ng áp, nhit
lưng
q
trao ñ'i bng hiu entanpi, vì vy ñ th i-s s dng rt thun tin khi tính
nhit lưng trong quá trình ñ,ng áp. ð th i-s c#a hơi nưc ñưc biu di*n trên hình
dưi, trc tung bi*u di*n entanpi, trc hoành bi*u di*n Entropi, ñưc xây dng trên cơ
s các s liu thc nghim.
ð th g m các ñưng: ðưng ñ,ng áp (
p const
=
) trong vùng hơi +m là các
ñưng th,ng nghiêng ñi lên, trùng vi ñưng ñ,ng nhit tương ng; trong vùng hơi
quá nhit là các ñưng cong lõm ñi lên.
ðưng ñ,ng nhit trong vùng hơi +m trùng vi ñưng ñ,ng áp, là nhng ñưng
th,ng nghiêng ñi lên, trong vùng hơi quá nhit là nhng ñưng cong l i ñi lên và càng
xa ñưng
1
x
=
thì càng gn như song song vi trc hoành. ðưng ñ,ng tích dc
hơn ñưng ñ,ng áp mt ít. ðưng ñ khô
x const
=
là chùm ñưng cong xut phát
t ñim K ñi xung phía dưi.