Bài giảng Một số quá trình đặc biệt của khí và hơi

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.1 ¾ 6.1 Quá trình LƯU ĐỘNG ¾ 6.2 Quá trình TIẾT LƯU Chương 6: Một số quá trình đặc biệt của khí và hơi Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.2 6.1 Quá trình LƯU ĐỘNG của Khí và Hơi - Sự chuyển động của môi chất gọi là LƯU ĐỘNG Ví dụ: Ống tăng tốc Ống tăng áp - p, v, T, i, s - tốc độ )/( smω - lưu luợng G (kg/s) cần xác định ¾ 6.1.1 Giới thiệu Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.3 ¾ Ứng dụng quá trình LƯU ĐỘNG trong thực tế - Vòi phun nước - Động cơ phản lực Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.4 - Quá trình lưu động là ĐOẠN NHIỆT Q = 0 ( s1 = s2 ) - Lưu lượng G (kg/s) của môi chất không thay đổi theo thời gian 1ω 1v 1f 2ω 2v 2f ¾ Các giả thiết trong khi tính toán quá trình LƯU ĐỘNG ( )skgconst v f v fG / 2 22 1 11 === ωω (f1, ω1, v1 lần lượt là diện tích tiết diện, tốc độ và thể tích riêng của môi chất tại 1) Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.5 6.1.2 Một số quan hệ cơ bản của dòng lưu động 1 Quan hệ giữa ÁP SUẤT và TỐC ĐỘ của dòng Áp dụng định luật 1 cho hệ hở: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + •• 22 2 2 2 2 1 1 ωω iGiG Mặt khác: vdppdvdupvuddi ++=+= )( (quá trình lưu động là ĐOẠN NHIỆT) = q = 0 ωωω dddi −=−= 2 2 (1) vdpdi = (2) (1), (2) dpvd −=ωω Khi TỐC ĐỘ của dòng môi chất thì ÁP SUẤT sẽ và ngược lại Q = 0 W = 0 1ω 2ω Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.6 1ω 12 ωω > 1ω 12 ωω < p2 < p1 : áp suất ở đầu ra GIẢM p2 > p1 : áp suất ở đầu ra TẮNG Ống tăng tốc dùng để tăng động năng khí như dùng trong tuabin Ống tăng áp dùng để tăng áp suất khí như dùng trong máy nén khí Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.7 2 Quan hệ giữa HÌNH DẠNG ỐNG với TỐC ĐỘ ¾ Tốc độ âm thanh trong môi trường có dòng môi chất lưu động đoạn nhiệt: ( )smvpka /= p,v: áp suất (pa) và thể tích riêng(m3/kg) của môi chất trong môi trường mà âm thanh lan truyền k: số mũ đoạn nhiệt của môi chất Ví dụ: ở điều kiện không khí chuẩn p = 1 bar , T = 25 oC, k = 1.4 a: tốc độ lan truyền của âm thanh kgm p RTv /854.0 100000*29 )25273(*8314 3=+== smvpka /346854.0*100000*4.1 === Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.8 ¾ Tiêu chuẩn MACH: a M ω= * Chú ý: khi M >1 quá trình lưu động được gọi là SIÊU ÂM Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.9 ¾ Quan hệ giữa HÌNH DẠNG ỐNG với TỐC ĐỘ Từ: dpvd −=ωω vpka = constpvk = v fG ω= ( ) ωωdMfdf 12 −= Ống TĂNG TỐC 1ω 12 ωω > (Nếu M < 1) 1ω 12 ωω > (Nếu M > 1) Ống TĂNG ÁP 1ω 12 ωω < (Nếu M > 1) 1ω 12 ωω < (Nếu M < 1) Muốn xác định hình dạng ống phải xác định giá trị M trước Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.10 Ví dụ: ống tăng tốc trong tên lửa (có M > 1) 3 Quan hệ giữa HÌNH DẠNG ỐNG với các thông số khác Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.11 ¾ Quan hệ giữa hình dạng ống và ÁP SUẤT ( ) f dfkM p dpM 22 1 −=− ¾ Quan hệ giữa hình dạng ống và THỂ TÍCH RIÊNG ( ) f dfM v dvM 22 1 =− ¾ Quan hệ giữa hình dạng ống và NHIỆT ĐỘ ( ) ( ) f dfkM T dTM 11 22 −−=− 4 Quan hệ giữa TỐC ĐỘ và MẬT ĐỘ DÒNG )/1( v=ρ ω ω ρ ρ dMd 2−= 6.1.3 Ống tăng tốc 1 Ống tăng tốc nhỏ dần 1ω 12 ωω > - Sử dụng khi môi chất lưu động có M < 1 - Ví dụ: Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.12 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.13 Định luật nhiệt động 1 cho hệ hở 21 2 1 2 2 2 ii −=−ωω ( ) 21212 2 ωω +−= ii Đối với ống tăng tốc, thường ω1 << ω2 Có thể bỏ qua 21ω ( )212 2 ii −=ωDo đó: * Đối với KHÍ LÝ TƯỞNG : tính i1 - i2 từ pt đoạn nhiệt của khí lý tưởng ( ) ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−−= −−= − k k p pvp k k vpvp k k 1 1 2 11 22112 1 1 2 1 2ω * Đối với khí và hơi THỰC: tính i1 - i2 bằng cách tra BẢNG s T x = 1 x = 0 x 2 1 2 p 2 p 1 12 ss = i2 Đơn vị: i1, i2 (J/kg); ω2 (m/s) a) Tốc độ ở cửa ra ω2 của ống tăng tốc nhỏ dần Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.14 2 22 1 11 v f v fG ωω == ( )212 2 iithay −=ω ( )21 2 2 2 ii v fG −= Đơn vị: i1, i2 (J/kg); f2 (m2) v2 (m3/kg)( Khi M < 1) 1ω 1f 12 ωω > 2f * Nếu môi chất là KHÍ LÝ TƯỞNG Từ pt đoạn nhiệt kk vpvp 2211 = ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= + k k k p p p p v p k kfG 1 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 * Nếu môi chất là KHÍ hay HƠI THỰC : tra bảng 12 ss = i2 s T x = 1 x = 0 x 2 1 2 p 2 p 1 b) Lưu lượng qua ống tăng tốc nhỏ dần G (kg/s) Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.15 Ống TĂNG TỐC 1ω 12 ωω > (Nếu M < 1) 1ω 12 ωω > (Nếu M > 1) * Nhắc lại: Đối với ống tăng tốc nhỏ dần Æ ω2 chỉ có thể tăng tối đa đến tốc độ âm thanh ath == ωω (max)2 Đặt: 1p pth=β gọi là tỉ số áp suất ở trạng thái tới hạn Chứng minh được 1 1 2 −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += k k k β - KLT 2 nguyên tử 528.0=β- KLT 3 nguyên tử và hơi quá nhiệt 546.0=β - Hơi bão hòa 577.0=β 484.0=β- KLT 1 nguyên tử * Tại trạng thái tới hạn: ;(min)2 thpp = ;(max)2 ath == ωω thGG =max c) Trạng thái tới hạn của ống tăng tốc nhỏ dần Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.16 Tốc độ tới hạn: 111(max)2 1 2 1 2 RT k kvp k k th +=+== ωω Lưu lượng tới hạn: 1 2 1 1 2max 1 2 1 2 −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++== k th kv p k kfGG * Đối với KHÍ LÝ TƯỞNG: * Đối với KHÍ và HƠI THỰC: i s 2 1 x 2 pth p1 Từ 1 1 pp ss th th β= = Tra bảng thth vi , ( )thth ii −== 1(max)2 2ωω ( )th th th iiv fGG −== 12max 2 Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.17 1ω 12 ωω > 1p 2p 2p′ 2p′ - Trường hợp 12 ppp th β=>′ lấy 22 pp ′= - Trường hợp 12 ppp th β=≤′ lấy thpp =2 Ví dụ 6.1: Khí O2 p1 = 60 at t1 = 100oC atp 362 =′ 2 2 20 mmf = ??2ω ??G Giải: O2 là khí 2 nguyên tử 528.0 1 == p pthβ atpth 68.31= thpp >′2 lấy atpp 3622 =′= ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−−= − k k p pRT k k 1 1 2 12 11 2ω ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= + k k k p p p p v p k kfG 1 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 d) Khảo sát ống tăng tốc nhỏ dần theo áp suất của môi trường sau ống 1ω a≤< 21 ωωVì ống tăng tốc nhỏ dần chỉ tăng tối đa vận tốc dòng lên đến a=(max)2ω Để tăng tốc độ dòng vượt quá tốc độ ÂM THANH (ω2 > a hay M > 1) Dùng ống tăng tốc LAVAL Vùng M < 1 Vùng M > 1 a2ω Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.18 Cổ ống, tại đây ω = a , p = pth , f = fmin Lưu lượng qua ống tăng tốc Laval 1 2 1 1 min 1 2 1 2 −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++= k kv p k kfG (Cho KHÍ LÝ TƯỞNG) ( ) th th v ii fG −= 1min 2 (Cho KHÍ và HƠI THỰC) 2 Ống tăng tốc LAVAL Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.19 - Dựa vào các thông số cho sẵn: p1 , v1 , G , p2 f20128−=Ω dmin p1 , v1 D l Tính - Diện tích tiết diện cửa ra f2 - Chiều dài phần sau của ống l ¾ Diện tích tiết diện cửa ra f2 ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − = + k k k p p p p v p k k Gf 1 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 Hoặc ( )21 2 2 2 ii vGf −= ¾ Chiều dài phần sau của ống 2 2 min Ω −= tg dDl ™ Thiết kế ống tăng tốc LAVAL Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.20 6.2 Quá trình TIẾT LƯU của Khí và Hơi ¾ Định nghĩa: Tiết lưu là quá trình dòng môi chất đi qua 1 tiết diện bị co hẹp đột ngột ¾ Tính chất: - Do vận tốc cục bộ qua tiết diện tăng Æ áp suất giảm - Quá trình ĐẲNG ENTANPI i2 = i1 Ví dụ 6.2: Hơi nước p1 = 20 bar x1 = 0.9 TIẾT LƯU p2 = 9 bar Xác định trạng thái hơi sau khi tiết lưu ? p1 = 20 bar x1 = 0.9 1 là trạng thái hơi bão hòa ẩm ( ) kgkJixixi /95.26091 111 =′′+′−= Tra bảng “Nước và hơi nước bão hòa” theo áp suất kgkJikgkJi /2799;/5.908 11 =′′=′ Sau khi tiết lưu p2 = 9 bar i2 = i1 = 2609.95 kJ/kg 2 là trạng thái hơi bão hòa ẩm Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM 1/2009 p.21