Bài giảng nhiệt động lực học kỹ thuật - Chương 8: Không khí ẩm

Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 8: KHÔNG KHÍ ẨM CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -1- CHƯƠNG 8 KHÔÂNG KHÍ ẨÅM 1. TỔNG QUÁT 1.1. KHÁI NIỆM Không khí ẩm là hổn hợp của không khí khô (oxi, nitơ, ) và hơi nước. Lượng hơi nước trong không khí ẩm rất nhỏ nhưng có ảnh hưởng quan trọng đối với sinh hoạt con người cũng như các quá trình công nghệ. Hơi nước trong không khí ẩm có phân áp suất rất nhỏ (khoảng 0,02 0,027bar) ở nhiệt độ bình thường hơi nước ở trạng thái hơi quá nhiệt. v p t=30 o C 0,04241bar ph=0,027bar Hơi quá nhiệt KHÔNG KHÍ ẨM = KHÔNG KHÍ KHÔ + HƠI NƯỚC Thể tích V = Vk = Vh Aùp suất p = pk + ph Nhiệt độ t = tk = th Khối lượng G = Gk + Gh Ví dụ minh họa hơi nước trong không khí ẩm ở trạng thái hơi quá nhiệt. Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 8: KHÔNG KHÍ ẨM CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -2- 1.2. CÁC LOẠI KHÔNG KHÍ ẨM v p t=const Chưa bão hòa t đs A C BD p h p h b h Bão hòa Quá bão hòa 1. Không khí ẩm chưa bão hòa (trạng thái A) Nếu hơi nước trong KKA ở trạng thái hơi quá nhiệt (A) thì KKA được gọi là KKA chưa bão hòa, phân áp suất của hơi nước ph nhỏ hơn phân áp suất bão hoà ở cùng nhiệt độ của KKA phbh. Đối với KKA chưa bão hoà thì nước có thể bốc hơi vào nó được vì chưa bị ngưng tụ. 2. Không khí ẩm bão hòa (trạng thái B, C) Là KKA mà hơi nước chứa trong nó ở trạng thái hơi bão hòa khô (B, C), nếu cho thêm hơi nước vào KKA bão hoà thì nó sẽ ngưng tụ thành những giọt li ti Có 2 cách biến KKA chưa bão hoà thành không khí ẩm bão hoà: - Giữ nhiệt độ KKA không đổi (t = const), tăng thêm lượng hơi nước (cho nước bay hơi vào không gian chứa KKA), tức tăng phân áp suất của hơi nước đến khi đạt đến trạng thái bão hoà. Quá trình này biểu diển trên đồ thị bằng đoạn AB. - Giữ phân áp suất của hơi nước trong KKA không đổi (ph = const), hạ nhiệt độ KKA (làm lạnh khối KKA) đến nhiệt độ bão hòa tương ứng với phân áp suất của hơi nước ph trong KKA. Quá trình này được thể hiện Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 8: KHÔNG KHÍ ẨM CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -3- trên đồ thị bằng đường AC, nhiệt độ tc được gọi là nhiệt độ điểm sương (tc = tđs) t  phbh = phmax ph  tđs tđs  t (bằng khi KKA ở trạng thái bão hòa) 3. Không khí ẩm quá bão hòa (trạng thái D) Là KKA mà hơi nước chứa trong nó ở trạng thái hơi bão hòa ẩm (D). KKA quá bão hòa không bền vững vì một lượng hơi nước sẽ bị ngưng tụ lại và tách khỏi KKA, như vậy KKA quá bão hòa sẽ dần dần trở lại trạng thái KKA bão hòa. 2. CÁC THÔNG SỐ CỦA KHÔNG KHÍ ẨM 2.1. ĐỘ ẨM TUYỆT ĐỐI Là khối lượng hơi nước chứa trong 1m 3 KKA V Gh h  , kg/m 3 2.2. ĐỘ ẨM TƯƠNG ĐỐI Độ ẩm tương đối được biểu thị bằng tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối của KKA h và độ ẩm tuyệt đối của KKA bão hòa có cùng nhiệt độ là hbh hbh h     Do đó độ ẩm tương đối thể hiện khả năng chứa thêm lượng hơi nước của KKA lớn hay nhỏ. Nếu độ ẩm tương đối nhỏ, nó biểu thị không khí này có khả năng nhận thêm hơi nước lớn và ngược lại. Vì hơi nước trong KKA xem như là khí lý tưởng nên: TRpp TRp hhbhhhbh hhh     max Do đó Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 8: KHÔNG KHÍ ẨM CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -4- maxh h hbh h p p     Trong đó phmax là áp suất bão hòa của hơi nước ứng với nhiệt độ KKA. 2.3. ĐỘ CHỨA HƠI d (DUNG ẨM) Là lượng hơi nước có trong KKA ứng với 1kg không khí khô: k h G G d  , kghơinước/kgkkkhơ Ta có G = Gk + Gh            d dG G d G G h k 1 1 Vì hơi nước trong KKA xem như là khí lý tưởng nên: TR Vp G TR Vp G k k k h h h   Do đó h k k h R R p p d . Thay KkgJRKkgJR kh ./ 29 8314 ;./ 18 8314  và pk = p – ph vào ta được: max max . . 622,0622,0 h h h h pp p pp p d       2.4. ENTANPI CỦA KHÔNG KHÍ ẨM Gọi I là entanpi của KKA, ik là entanpi của không khí khô, ih là entanpi của hơi nước. Entanpi của KKA được tính ứng với 1kg không khí khô. I = ik + d.ih kJ/kgkkk ik = cp,kt = t, kJ/kgkkk cp,k 1kJ/kg: nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí khô ih = r + cp,ht = 2500 + 1,84t, kJ/kghơinước Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 8: KHÔNG KHÍ ẨM CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -5- r- ẩn nhiệt hóa hơi của nước cp,h- nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi nước ở 0 o C Vậy I = t + d(2500 + 1,84t), kJ/kgkkk 2.5. NHIỆT ĐỘ ĐỌNG SƯƠNG Như đã trình bày trong phần 1.2. Khi làm lạnh khối KKA chưa bão hòa thành KKA bão hòa trong điều kiện phân áp suất của hơi nước không đổi ph = const ( d =const). Đây cũng chính là nhiệt độ hơi nước trong KKA ngưng tụ thành nước. 2.6. NHIỆT ĐỘ NHIỆT KẾ ƯỚT Nhiệt kế khô Nhiệt kế ướt Nước cất Vải cotton sạch Nhiệt độ nhiệt kế tư là nhiệt độ ứng với trạng thái KKA bão hòa có cùng entanpi với KKA đang khảo sát. tư  t, bằng khi %100 Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 8: KHÔNG KHÍ ẨM CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -6- 3. ĐỒ THỊ KHÔNG KHÍ ẨM Có hai loại đồ thị thường được sử dụng là đồ thị t-d và I-d. 3.1. ĐỒ THỊ t – d (ĐỒ THỊ CARRIER) t, o C d, g/kgkkk  = 1 0 0 % I, k J /k g k k k A I = c o n st d=const ttưtđs 3.1. ĐỒ THỊ I – d (ĐỒ THỊ MOLLIER) d, g/kgkkk =100% A I, kJ/kgkkk tư t đs I = const d = c o n s t p h , m m H g Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 8: KHÔNG KHÍ ẨM CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -7- 4. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA KHÔNG KHÍ ẨM 4.1. QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT Khi cấp nhiệt Q cho dòng KKA, lượng hơi nước trong dòng khí không thay đổi (d = const). Dòng khí được cấp thêm năng lượng nên entanpi I và nhiệt độ t tăng, độ ẩm tương đối  giảm xuống. t, o C d, g/kgkkk  = 1 0 0 % 21 I 1 I 2 4.2. QUÁ TRÌNH LÀM LẠNH t, o C d, g/kgkkk  = 1 0 0 % 12 I 2 I 1 t 2 t đs Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình gia nhiệt: Q = I2 – I1, kJ/kgkkk Làm lạnh trên nhiệt độ đọng sương: t2 > tđs Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 8: KHÔNG KHÍ ẨM CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -8- t, o C d, g/kgkkk  = 1 0 0 % 12 I 2 I 1 t 2 =t đs t, o C d, g/kgkkk  = 1 0 0 % 1 2 I 2 I 1 t 2 t đs d 1 d 2 Trong thực tế khi làm lạnh đến hoặc dưới nhiệt độ đọng sương, do có hiện tượng lọt không khí nên không khí ẩm ra khỏi dàn lạnh là hổn hợp giữa không khí có độ ẩm %100 và không khí có độ ẩm %100 vì thế không khí ra khỏi dàn lạnh có %100 . Làm lạnh đến nhiệt độ đọng sương: t2 = tđs, %1002  Làm lạnh dưới nhiệt độ đọng sương: t2 < tđs, %1002  , một phần hơi nước trong KKA ngưng tụ lại và có giá trị bằng d = d1 – d2, kghn/kgkkk. Gọi Gn là lượng nước cần lấy khỏi KKA trong một đơn vị thời gian thì lượng không khí khô cần thổi qua dàn lạnh là d G G nkkk   , vậy lượng KKA trước và sau dàn lạnh là G1=Gkkk(1+d1), G2=Gkkk(1+d2)=Gkkk(1+d1 – d ) Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 8: KHÔNG KHÍ ẨM CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -9- t, o C d, g/kgkkk  = 1 0 0 % 1 2 I 2 I 1 t 2 d 1 d 2 Nhiệt lượng cần lấy khỏi KKA hay năng suất thiết bị lạnh trong các trường hợp trên là: Q = I1 – I2, kJ/kgkkk 4.3 SẤY LÝ THUYẾT Sấy là quá trình tách ẩm bằng nhiệt. Sơ đồ nguyên lý như sau: Bộ gia nhiệt (calorifer) Buồng sấy 1 2 3 Không khí ban đầu ở trạng thái 1 được quạt đẩy qua bộ gia nhiệt (quá trình gia nhiệt), sau đó dòng không khí nóng 2 này được thổi vào buồng sấy, vật sấy sẽ nhận nhiệt từ dòng khí và bốc hơi nước ra khỏi vật để truyền vào dòng không khí thổi qua. Nhiệt độ của không khí giảm xuống, độ ẩm và độ chứa hơi tăng lên, do vật nhận nhiệt từ dòng khí để bốc hơi và trả lại dòng khí dưới dạng hơi nước mang vào nên I3 = I2 (sấy lý thuyết) Ví dụ quá trình làm lạnh dưới nhiệt độ đọng sương trong thực tế. Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 8: KHÔNG KHÍ ẨM CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -10- t, o C d  = 1 0 0 % 2 1 I 1 I 2 =I 3 3 d 1 =d 2 d 3 Gọi Gn là lượng nước cần lấy khỏi vật sấy trong một đơn vị thời gian thì lượng không khí khô cần thổi qua hệ thống là 23 dd G d G G nnkkk     , vậy lượng KKA qua quạt là G1=Gkkk(1+d1). 4.4. QUÁ TRÌNH HÒA TRỘN G 1 G 2 G 3 t, o C d  = 1 0 0 % 2 1 I 1 I 3 3 d 1 d 3 d 2 I 2 a b Các phương trình cân bằng:   ravào - Cân bằng khối lượng: G3 = G1 + G2 (1) - Cân bằng năng lượng: I3G3 = I1G1 + I2G2 (2) - Cân bằng độ chứa hơi: d3G3 = d1G1 + d2G2 (3) Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 8: KHÔNG KHÍ ẨM CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -11- (2) I3(G1 + G2) = I1G1 + I2G2  G1(I3 – I1) = G2(I2 – I3) (3) d3(G1 + G2) = d1G1 + d2G2  G1(d3 – d1) = G2(d2 – d3) 13 32 13 32 dd dd II II       đây là phương trình đường thẳng qua 3 điểm 1,2,3 nên điểm hòa trộn 3 nằm trên đoạn thẳng 12 13 32 13 32 13 32 2 1 tt tt dd dd II II G G          (tam giác đồng dạng) Các thông số của dòng khí sau khi hòa trộn: 21 2211 3 21 2211 3 21 2211 3 GG tGtG t GG IGIG I GG dGdG d          5. BÀI TẬP  Xác định các thông số của KKA khi biết t = 30oC và tđs = 20 o C Xác định các thông số của KKA khi biết t = 30 o C và tư = 25 o C Xác định các thông số của KKA khi biết tư = 25 o C và tđs = 20 o C  Không khí ẩm có d1=19g/kg và t1=30 o C, được gia nhiệt đến nhiệt độ t2=80 o C và sau đó cho đi vào buồng sấy. Khi ra khỏi buồng sấy nhiệt độ của không khí là t3=45 o C. Xác định nhiệt lượng cần thiết để lấy đi 2kg nước từ vật cần sấy. Nếu chỉ gia nhiệt không khí đến 70 oC (t’2=70 o C<t2) thì độ ẩm tương đối ' 3 trong trường hợp này là bao nhiêu? (cho biết t’3=t3=45 o C). Vẽ đồ thị minh hoạ (p0=1bar)  Một dàn lạnh không khí có các thông số như sau: không khí vào có lưu lượng thể tích V = 5000m 3 /h, nhiệt độ nhiệt kế khô chỉ t1=35 o C, nhiệt độ nhiệt kế ướt chỉ t1ư =30 o C, nhiệt độ không khí ra khỏi dàn lạnh t2=10 o C và 2  =80%. Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 8: KHÔNG KHÍ ẨM CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -12- Độ tăng nhiệt độ của nước lạnh sau khi qua dàn lạnh n t =5oC, nhiệt dung riêng của nước cpn=4,18kJ/kgđộ. a. Tính năng suất dàn lạnh Q0 [kW] b. Tính lưu lượng nước lạnh và nước ngưng tụ [kg/h] c. Biểu diển quá trình không khí ẩm trên đồ thị I-d và t-d. Khi tính không sử dụng đồ thị I-d và t-d. Aùp suất khí trời xem là 1bar.  Không khí ẩm trước khi đi vào dàn lạnh có t1 = 32 0 C và 1 = 80%. Sau khi ra khỏi dàn lạnh, người ta thấy t2 = tđs1 – 10 0 C và 2 = 100%, trong đó tđs1 là nhiệt độ đọng sương ứng với trạng thái không khí trước khi đi vào dàn lạnh. Cho biết lưu lượng không khí đi qua dàn lạnh là 7500 m 3 /h. a- Vẽ biểu diễn quá trình đang khảo sát trên đồ thị I-d và t-d. (0,5 điểm) b- Xác định năng suất lý thuyết của dàn lạnh. (1 điểm)  Một thiết bị sấy thông dụng gồm quạt – calorifer – buồng sấy, sản phẩm tươi lúc đưa vào buồng sấy có khối lượng Gđ =800kg, sản phẩm sau khi sấy khô đạt yêu cầu có Gc =500kg, thời gian sấy =3giờ. Không khí vào calorifer có thông số: nhiệt độ nhiệt kế khô t1=30 o C, nhiệt độ nhiệt kế ướt tư =25 o C, nhiệt độ không khí ra khỏi calorifer t2=60 o C, nhiệt độ không khí thải khỏi buồng sấy t3=35 o C. a. Biểu diển các quá trình nhiệt động của không khí ẩm trên đồ thị I-d. b. Tính lưu lượng quạt của máy sấy Gk[kg/h] c. Tính nhiệt lượng cấp cho calorifer Q [kW] Các tổn thất phụ của máy sấy có thể bỏ qua.  Không khí ẩm ở trạng thái ban đầu có áp suất p1 = 0,1 MPa, nhiệt độ t1 = 10 0 C, độ ẩm tương đối 1 = 60%. Không khí ẩm này được nén theo quá trình đa biến với n = 1,25 đến trạng thái 2 có nhiệt độ t2 = 60 0 C (xem không khí ẩm như khí lý tưởng để xử lý trong quá trình nén và xem như d = const trong quá trình nén). Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 8: KHÔNG KHÍ ẨM CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -13- a/ Xác định áp suất p2. b/ Xác định độ ẩm tương đối của không khí 2.  Một máy sấy lúa có các thông số sau: khối lượng lúa tươi G1 = 4000kg, khối lượng lúa sau khi sấy G2 = 3000kg, thời gian sấy một mẻ  = 5h, nhiệt độ không khí vào buồng sấy Ct 02 80 , hơi đi vào bộ gia nhiệt được cung cấp từ lò hơi đốt dầu DO, hiệu suất lò hơi l   60% và nhiệt trị dầu DO là Qnl = 9000 kcal/kg. Không khí thải ra khỏi buồng sấy có nhiệt độ 35 0 C, môi trường không khí xung quanh có Ct 01 30 và %701  a/ Tính thông số của không khí ẩm tại các điểm đặc trưng và biểu diễn quá trình sấy trên đồ thị I-d. b/ Tính lưu lượng quạt (m 3 /h), lưu lượng hơi cung cấp cho bộ gia nhiệt, lượng dầu tiêu hao của lò trong một giờ. Cho biết áp kế lò hơi chỉ p = 5bar, hơi vào bộ gia nhiệt có độ khô x = 0,95 và nước ngưng thải có nhiệt độ 90 0 C