ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO TIỂU LUẬN 7 LẬP LUẬN CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp SINH VIÊN THỰC HIỆN PHẠM BÌNH PHƯƠNG DUNG MSSV: 2233162 TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2024 MỤC LỤC Vấn đề 1. ...........................................................................................................2 1.1. Câu hỏi ............................................................................................................2 1.2. Lập luận ..........................................................................................................2 Vấn đề 2. ...........................................................................................................4 2.1. Câu hỏi ............................................................................................................4 2.2. Lập luận ..........................................................................................................4 Vấn đề 3. ...........................................................................................................6 3.1. Câu hỏi ............................................................................................................6 3.2. Lập luận ..........................................................................................................7 Vấn đề 4. .........................................................................................................10 4.1. Câu hỏi ..........................................................................................................10 4.2. Lập luận ........................................................................................................10 Tài liệu tham khảo ..............................................................................................11 1 Vấn đề 1. 1.1. Câu hỏi Từ mục 9.5 Quá trình sấy lý tưởng, hãy lập luận chứng minh so sánh về dấu của các thông số: độ ẩm tương đối, nhiệt độ, độ chứa hơi, áp suất đang xét và entapy của không khí ẩm qua hai quá trình (1-2 và 2-3). 𝒕𝒕𝟐𝟐 > 𝒕𝒕𝟏𝟏 𝒅𝒅𝟐𝟐 = 𝒅𝒅𝟏𝟏 𝒑𝒑𝒉𝒉𝟐𝟐 = 𝒑𝒑𝒉𝒉𝟏𝟏 𝑰𝑰𝟐𝟐 > 𝑰𝑰𝟏𝟏 𝝋𝝋𝟐𝟐 < 𝝋𝝋𝟏𝟏 𝒕𝒕𝟑𝟑 < 𝒕𝒕𝟐𝟐 𝒅𝒅𝟑𝟑 > 𝒅𝒅𝟐𝟐 𝒑𝒑𝒉𝒉𝟑𝟑 > 𝒑𝒑𝒉𝒉𝟐𝟐 𝑰𝑰𝟑𝟑 = 𝑰𝑰𝟐𝟐 𝝋𝝋𝟑𝟑 > 𝝋𝝋𝟐𝟐 1.2. Lập luận Dựa vào sơ đồ minh hoạ, ta có thể hiểu quá trình sấy gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn từ trạng thái 1 => trạng thái 2: Giai đoạn đốt nóng không khí trong Calorifer – Không khí ban đầu ở trạng thái 1 có các thông số: nhiệt độ t1, độ ẩm tương đối 𝜑𝜑1 , áp suất bão hòa 𝑃𝑃𝑏𝑏ℎ1 , độ chứa hơi d1 và entanpi I1. Sau khi được quạt thổi và vận chuyển vào buồng gia nhiệt (calorifer). – Tại đây không khí được cấp nhiệt nên nhiệt độ tăng từ t1 lên t2. – Entapy I1 tăng lên thành I2 do entapy là hàm số phụ thuộc vào nhiệt độ. – Ta có công thức: 𝑃𝑃ℎ 𝜑𝜑 = 𝑃𝑃𝑏𝑏ℎ – Nếu nhiệt độ tăng lên, theo bảng tra Nước và Hơi nước bão hòa (theo nhiệt độ) ta nhận thấy áp suất bão hòa cũng tăng lên thành 𝑃𝑃𝑏𝑏ℎ2 . Theo công thức trên, áp suất hơi bão hoà tỉ lệ nghịch với độ ẩm tương đối, do đó độ ẩm tương đối giảm xuống 𝜑𝜑2 . – Độ chứa hơi d không đổi (𝑑𝑑2 = 𝑑𝑑1 ) do không nhận được độ ẩm tại khu vực này. Giai đoạn từ trạng thái 2 => trạng thái 3: Giai đoạn trong buồng sấy – Không khí sau khi đốt nóng được đưa vào buồng sấy. Tại đây không 2 khí nóng nhả nhiệt cho vật liệu sấy làm cho nước trong vật liệu bay hơi vào không khí. Do đó, nhiệt độ không khí giảm dần từ t2 xuống t3. – Do nhận được một lượng hơi nước nhất định nên tại trạng thái 3 có độ ẩm 𝜑𝜑3 và độ chứa hơi 𝑑𝑑3 tăng lên – Entapy tại đây không đổi 𝐼𝐼2 = 𝐼𝐼3 3 Vấn đề 2. 2.1. Câu hỏi Khảo sát quá trình sấy có sơ đồ dưới đây. Trong đó : A: Quạt B: Calorifer C: Buồng sấy Biết t1 = 32℃, 𝜑𝜑1 = 70%, t2 = 80℃, t3 = 48℃. a) Xác định các thông số nhiệt độ, độ ẩm tương đối, độ chứa hơi và entanpi. b) Xác định lưu lượng không khí cần cấp qua buồng sấy. Giả sử quá trình cần sấy cần lấy 500kg ẩm trong 10h. c) Xác định công suất lý thuyết của điện trở lắp trong buồng gia nhiệt. 2.2. Lập luận a) Xác định các thông số tại ba trạng thái Trạng thái 1 (trước khi vào buồng gia nhiệt - calorifer) Tại t1 = 32℃, 𝜑𝜑1 = 70%. Nội suy từ bảng Nước và Hơi nước bão hòa theo nhiệt độ trang 402 tài liệu [1] tại t1 = 32℃ có 𝑃𝑃𝑏𝑏ℎ1 = 0,0479 bar 𝑃𝑃ℎ1 ⇒ 𝑃𝑃ℎ1 = 𝜑𝜑1 . 𝑃𝑃𝑏𝑏ℎ1 = 0,7.0,0479 = 0,03353 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝜑𝜑1 = 𝑃𝑃𝑏𝑏ℎ1 𝑃𝑃ℎ1 0,03353 𝑑𝑑1 = 0,622. = 0,622. = 0,0216 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑃𝑃 − 𝑃𝑃ℎ1 1 − 0,03353 𝐼𝐼1 = 1,0048. 𝑡𝑡1 + 𝑑𝑑1 . (2500 + 1,806. 𝑡𝑡1 ) = 1,0048.32 + 0,0216. (2500 + 1,806.32) = 87,4 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 Trạng thái 2 (sau calorifer, trong giai đoạn từ trạng thái 1 đến 2 độ chứa hơi không thay đổi => 𝑑𝑑1 = 𝑑𝑑2 = 0,0216 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 và 𝑃𝑃ℎ1 = 𝑃𝑃ℎ2 = 0,03353 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏) Tại t2 = 80℃ Nội suy từ bảng Nước và Hơi nước bão hòa theo nhiệt độ trang 402 tài liệu [1] tại t2 = 80℃ có 𝑃𝑃𝑏𝑏ℎ2 = 0,436 bar 𝑃𝑃ℎ2 0,03353 = = 0,076 = 7,6% 𝜑𝜑2 = 𝑃𝑃𝑏𝑏ℎ2 0,436 4 𝐼𝐼2 = 1,0048. 𝑡𝑡2 + 𝑑𝑑2 . (2500 + 1,806. 𝑡𝑡2 ) = 1,0048.80 + 0,0216. (2500 + 1,806.80) = 137,5 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 Trạng thái 3 (sau buồng sấy, trong giai đoạn từ trạng thái 2 đến 3 entanpi không thay đổi => 𝐼𝐼2 = 𝐼𝐼3 = 137,5 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘) Tại t3 = 48℃ Nội suy từ bảng Nước và Hơi nước bão hòa theo nhiệt độ trang 402 tài liệu [1] tại t3 = 48℃ có 𝑃𝑃𝑏𝑏ℎ3 = 0,1123 bar 𝐼𝐼2 = 1,0048. 𝑡𝑡3 + 𝑑𝑑3 . (2500 + 1,806. 𝑡𝑡3 ) ⟺ 137,5 = 1,0048.48 + 𝑑𝑑3 . (2500 + 1,806.48) ⟺ 𝑑𝑑3 = 0,0345 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑃𝑃ℎ3 𝑃𝑃ℎ3 𝑑𝑑3 = 0,622. ⟺ 0,0345 = 0,622. 𝑃𝑃 − 𝑃𝑃ℎ3 1 − 𝑃𝑃ℎ3 ⟺ 𝑃𝑃ℎ3 = 0,0526 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑃𝑃ℎ3 0,0526 = = 0,468 = 46,8% 𝜑𝜑3 = 𝑃𝑃𝑏𝑏ℎ3 0,1123 b) Xác định lưu lượng không khí cần cấp qua buồng sấy Lượng ẩm sau khi đi qua buồng sấy ∆𝑑𝑑 = 𝑑𝑑3 − 𝑑𝑑2 = 0,0345 − 0,0216 = 0,0129 (𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘) Lượng nước bay hơi trong 1 đơn vị thời gian ∆𝐺𝐺𝑛𝑛 500 𝐺𝐺𝑛𝑛 = = = 50 (𝑘𝑘𝑘𝑘/ℎ) 𝜏𝜏 10 Lưu lượng không khí cần cấp qua buồng sấy 𝐺𝐺𝑛𝑛 50 𝐺𝐺𝑎𝑎 = = = 3875,969 (𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘/ℎ) ∆𝑑𝑑 0,0129 c) Công suất lý thuyết của điện trở lắp trong buồng gia nhiệt 𝐺𝐺𝑎𝑎 = 3875,969 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘/ℎ = 3875,969. 2,78.10−4 = 1,0775 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑠𝑠 𝑁𝑁đ𝑡𝑡 = 𝐺𝐺𝑎𝑎 . (𝐼𝐼2 − 𝐼𝐼1 ) = 1,0775. (137,5 − 87,4) = 53,983 𝑘𝑘𝐽𝐽/𝑠𝑠 5 Vấn đề 3. 3.1. Câu hỏi Khảo sát đồ thị p-v với các quá trình nén khí: Theo định luật Nhiệt động học thứ Nhất: 𝜕𝜕𝜕𝜕 = 𝑑𝑑𝑑𝑑 − 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣; với −𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 là công kỹ thuật( công cấp vào hoặc sinh ra bởi những hệ thống hở). Xét các quá trình: BC: là quá trình đẳng nhiệt. Công kỹ thuật là lớn nhất. BC2: là quá trình đoạn nhiệt. Công kỹ thuật là nhỏ nhất. BC1: là quá trình đa biến. Công nằm trong khoảng công nhỏ nhất đến 𝑝𝑝2 công lớn nhất. Công tiêu hao cho máy nén: W = ∫𝑝𝑝1 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 = 𝑊𝑊𝑘𝑘𝑘𝑘 . Quá trình đẳng nhiệt: Quá trình đa biến: 6 Quá trình đoạn nhiêt: Hãy chứng minh ứng với các quá trình (Đẳng nhiệt, đoạn nhiệt, đa biến) thì công kỹ thuật tại quá trình đó là công: lớn nhất/nhỏ nhất/ nằm trong khoảng nhở nhất đến lớn nhất. 3.2. Lập luận Lập luận 1 Nhìn vào đồ thị P-v trên hình: Ta thấy đường gạch dọc biểu thị cho công nén của quá trình nén khí + Quá trình đẳng nhiệt được thể hiện bằng diện tích ABCD + Quá trình đa biến được thể hiện bằng diện tích ABC1D + Quá trình đoạn nhiệt được thể hiện bằng diện tích ABC2D Kết luận: Ta thấy được trên đồ thị P-v diện tích hình chữ nhật ABC2D có đường gạch dọc thể hiện công nén là lớn nhất (ABCD + CBC2) và nó thuộc quá trình đoạn nhiệt, còn hình chữ nhật ABCD với đường gạch dọc thể hiện cho công nén là thấp nhất thuộc về quá trình đẳng nhiệt. Quá trình đa biến nằm giữa 2 quá trình này. 7 Lập luận 2 + Ta xét tiếp tục theo quá trình đẳng nhiệt (n=1), công tiêu hao được tính theo công thức: + Xét tiếp tục theo quá trình đoạn nhiệt (n=k), công tiêu hao được tính theo công thức: + Nếu ta xét theo quá trình đa biến (1< n < k), công tiêu hao được tính theo công thức: Giả sử bài toán: Máy nén lý tưởng 1 cấp, lưu lượng hút không khí là 100 m3/h ở áp suất p1 = 1 at đến trạng thái cuối có p2 = 8 at với quá trình đa biến có n = 1,2 và được nén đoạn nhiệt với hệ số k = 1,5. Ta tiến hành so sánh công tiêu hao ở cả 3 trường hợp đẳng nhiệt, đa biến, đoạn nhiệt và so sánh kết quả? 8 Đổi đơn vị p1 = 1 at = 1.0,98.105 N/m2 p2 = 8 at = 8.0,98.105 N/m2 V1 = 100 m3/h Tiến hành thay số, ta được: + Xét theo quá trình đẳng nhiệt (n = 1): 8 𝑝𝑝2 𝑊𝑊 = − 𝑝𝑝1 . 𝑣𝑣1 �ln � = − 1.0,98.105 .100 �ln � 𝑝𝑝1 1 7 −2,04.10 = −2,04.107 𝐽𝐽/ℎ = = −5,66.103 𝑊𝑊 = −5,66 𝑘𝑘𝑘𝑘 3600 + Xét theo quá trình đa biến (1< n < k): (𝑛𝑛−1) 𝑛𝑛 𝑝𝑝2 𝑛𝑛 𝑝𝑝1 . 𝑣𝑣1 �� � 𝑊𝑊 = − 𝑝𝑝1 𝑛𝑛 − 1 − 1� (1,2−1) 1,2 1,2 8 =− 1.0,98.105 . 100 �� � 1,2 − 1 1 − 1� −2,43.107 = −6,76.103 𝑊𝑊 = −6,76 𝑘𝑘𝑘𝑘 = −2,43.10 𝐽𝐽/ℎ = 3600 + Xét theo quá trình đoạn nhiệt (n = k): 7 (𝑘𝑘−1) 𝑘𝑘 𝑝𝑝2 𝑘𝑘 𝑊𝑊 = − 𝑝𝑝1 . 𝑣𝑣1 �� � 𝑘𝑘 − 1 𝑝𝑝1 (1,5−1) 1,5 8 1,5 1.0,98.105 . 100 �� � =− 1 1,5 − 1 = −2,94.107 𝐽𝐽/ℎ = − 1� − 1� −2,94.107 = −8,17.103 𝑊𝑊 = −8,17 𝑘𝑘𝑘𝑘 3600 Kết luận: Sau khi tính toán ta thấy rõ ở quá trình đoạn nhiệt công tiêu hao là lớn nhất, còn ở quá trình đẳng nhiệt có công tiêu hao là bé nhất => Kết luận chung: Như vậy sau 2 lập luận ta vừa nêu ra, có thể nhận định quá trình đẳng nhiệt là quá trình nén thấp nhất, còn quá trình đoạn nhiệt là quá trình nén lớn nhất. 9 Vấn đề 4. 4.1. Câu hỏi Đọc hiểu sách giáo khoa mục 8.2.3: Tác hại của dung tích thừa trang 258 (Sách Nhiệt động lực học kỹ thuật – Hoàng Đình Tín & Lê Chí Hiệp) và ghi lại những tác hại của dung tích thừa mà bản thân đúc kết được 4.2. Lập luận Khi chế tạo thực tế giữa nắp xilanh và piston có một lớp đệm không khí để tránh sự va đập giữa xi-lanh và piston, tuy nhiên theo quan điểm nhiệt động lực học kỹ thuật thì dung tích này không có lợi và được gọi là dung tích thừa chiếm khoảng 3÷10% toàn bộ thể tích xi-lanh. Từ đồ thị chúng ta thấy trong máy nén có thêm quá trình giãn nỡ phụ 3-4 khi piston dịch chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới. Sở dĩ có điều này xảy ra là vì khí chứa trong dung tích thừa có áp suất cao (p2) phải được giãn nở, để giảm áp suất cho đến khi áp suất trong xi-lanh giảm xuống bằng áp suất hút (p1) thì van nạp mới được mở ra và khí mới thực sự nạp vào xi-lanh (nghĩa là ở điểm 4 van nạp mới mở). Do đó lượng khí thực sự nạp vào xi-lanh chỉ còn (V1 - V4), nhỏ hơn khi nạp vào mà không cần dung tích thừa. Do lượng khí nạp vào càng giảm thì áp suất càng tăng (𝑝𝑝2′ > 𝑝𝑝2 ) vì vậy khi máy nén có dung tích thừa thì lượng khí nạp vào bị giảm => áp suất cao nên hiệu suất (𝜀𝜀) của máy nén càng thấp, khi dùng máy nén 1 cấp mà nén khí đến áp suất quá cao là không có lợi. 10 Tài liệu tham khảo 1. Hoàng Đình Tín – Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh 11