| Chuong 3 CAC QUA TRINH NHIET DONG THUC TE 3. HOI NUGC VA CAC QUA TRINH CUA NO 3. Hơi nước và ứng dụng Hơi nước có rất nhiều ưu điểm so với các môi chất khác như: có nhiều trong thiên nhiên, rẻ tiền và đặc biệt là không độc hại đối với môi trường và không ăn mòn thiết bị, do đó nó được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp. Hơi nước thường được sử dụng trong thực tế ở trạng thái gần trạng thái bão hoà nên không thể bỏ qua thể tích bản thân phân tử và lực hút giữa chúng.
Vì vậy không thể dùng phương trình trạng thái của khí lí tưởng cho hơi nước được. Phương trình trạng thái cho hơi nước được dùng nhiều nhất hiện nay là phương trình Vukalovich-novikov: a Cc (p + Wy = b) = RT I~ ar) (3-1) Ở đây : a,b,m là các hệ số được xác định bằng thực nghiệm. Từ công thức này người ta đã xây dựng bảng và đồ thị hơi nước. Quá trình hoá hơi đẳng áp của nước 3.Khái niệm về quá trình hoá hơi và ngưng tụ * Quá trừnh hoá hơi Quá trình hoá hơi là quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể hoi sig’ Quá trình hoá hơi có thể là bay hơi hoặc sôi.
| + Quá trình bay hơi: | Quá trình bay hơi là quá trình hoá hơi chỉ xảy ra trên bề mặt thoáng chất lỏng, ở nhiệt độ bất kì. - Điều kiện để xảy ra quá trình bay hơi: Muốn xảy ra quá trình bay hơi thì cần phải có mặt thoáng. - Đặc điểm của quá trình bay hơi: Quá trình bay hơi xảy ra do các phân tử nước trên bề mặt thoáng có động năng lớn hơn sức căng bề mặt và thoát ra ngoài, bởi vậy quá trình bay hơi xảy ra ở bất kì nhiệt độ nào. 45 - Cường độ bay hơi phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất lỏng.
Các chất lỏng khác nhau thì có cường độ bay hơi khác nhau và nhiệt độ càng cao thì tốc độ bay hơi càng lớn. | + Quá trì sôi: Quá trình sôi là quá trình hoá hơi xảy ra cả trong lòng thể tích chất lỏng. - Khi cung cấp nhiệt cho chất lỏng thì nhiệt độ của nó tăng lên và cường độ bay hơi cũng tăng lên, đến một nhiệt độ xác định nào đó thì hiện tượng bay hơi xảy ra cả trong toàn bộ thể tích chất lỏng, khi đó các bọt hơi xuất hiện cả trên bể mặt nhận nhiệt lẫn trong lòng chất lỏng, ta nói chất lỏng sôi. - Điều kiện để xảy ra quả trình sôi: Chất lỏng phải đạt đến nhiệt độ nhất định, nhiệt độ đó được gọi là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hoà.
- Đặc điểm của quá trình sôi: Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào bản chất và áp suất của chat long đó. Các chất lỏng khác nhau thì có nhiệt độ sôi khác nhau. Ở áp suất không đổi nào đó thì nhiệt độ sôi của chất lỏng không đổi, khi áp suất chất lỏng càng cao thì nhiệt độ sôi càng lớn và ngược lại. * Quá trình ngưng tu - Quá trình ngưng tụ là quá trình ngược lại với quá trình hoá hơi, trong đó hơi nhả nhiệt và biến thành long.
Nhiệt độ ngưng tụ luôn bằng nhiệt độ sôi ở cùng áp suất. Trong quá trình ngưng tụ, nếu áp suất của môi chất không đổi (p = const) thì nhiệt độ ngưng tụ cũng không thay đối suốt trong quá trình (t, = t,,). Qúa trình hoá hơi đẳng áp của nước * Khảo sất quá trình hoá hơi đẳng áp của nước Giả thiết nước bắt đầu ở trạng thái O trên đồ thị p-v và T-s hình 3.2 có nhiệt độ t, thể tích riêng là v. Khi cung cấp nhiệt cho nước trong điêu kiện áp suất không đổi p = const, nhiệt độ và thể tích riêng tăng lên.
Đến nhiệt độ t, nào đó thì nước bắt đầu sôi, t, duoc gọi là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hoà ứng với áp suất p. Trạng thái sôi được biểu thị bằng điểm A, có các thông số trạng thái khác tuong Ung 1a: v’, u’, i’ vas’. Nếu vẫn ở áp suất đó, tiếp tục cấp nhiệt thì cường độ bốc hơi càng tăng nhanh, nhiệt độ của hỗn hợp nước và hơi không thay đổi và bằng t. Đến một lúc nào đó thì toàn bộ nước sẽ biến hoàn toàn thành hơi trong khi nhiệt độ của hơi vẫn còn giữ ở nhiệt độ t,.
Hơi nước Ở trạng thái này được gọi là hơi bão hoà khô, được biểu diễn bằng điểm C. Các thông số tuong tng tai diém C 1a v’’, u’’, i’ va s’’. Nhiệt lượng cap vao cho | kg nước từ khi bắt đầu sôi đến khi biến thành hơi hoàn toàn được gọi là nhiệt ẩn hoá hơi, kí hiệu là r =1” - 1”. 46 Nếu ta cung cấp nhiệt cho hơi bão hoà khô vẫn ở áp suất đó thì nhiệt độ của nó lại bắt đầu tiếp tục tăng lên.
Hơi nước ở trạng thái này gọi là hơi quá nhiệt. Các thông số hơi quá nhiệt kí hiệu là v, p, t, u, ¡ và s. Hiệu số nhiệt độ của hơi quá nhiệt và hơi bão hoà được gọi là độ quá nhiệt của hơi. Độ quá nhiệt càng cao thì hơi càng gần với khí lí tưởng.
rt pt G1 of Hình 3. do thi T-s Vậy ở áp suất p không đổi, khi cấp nhiệt cho nước thì nước sẽ thay đổi trạng thái, ta sẽ có các trạng thái O, A, C tương ứng với nước chưa sôi, nước sôi và hơi bão hoà khô. Quá trình đó được gọi là quá trình hoá hơi đẳng áp. Tương tự như vậy, nếu cấp nhiệt đẳng áp cho nước ở áp suất p, = const thì ta có các trang thái tương ứng kí hiệu O,, A,, C¡ và ở áp suất p; = const ta cũng có các điểm tương ứng là O,, A;, C.
* Các đường đặc tính của nước Khi nối các điểm O, O,, O,,O,. ta được một đường gọi là đường nước chưa SÔI, đường này gần như thẳng đứng, chứng tỏ thể tích riêng của nước rất ít phụ thuộc vào áp suất. Khi nối các điểm A, A, ,A;, A¿. ta được một đường cong biểu thị trạng thái nước sôi gọi là đường giới hạn dưới.
Khi nhiệt độ sôi tăng thì thể tích riêng của nước sôi v' tăng, do đó đường cong này dịch dần về phía bên phải khi tăng áp suất. Khi nối các điểm C, C,, C. ta được một đường cong biểu thị trạng thái hơi bão hoà khô, gọi là đường giới hạn trên. Khi áp suất tăng thì thể tích riêng của hơi bão hoà khô giảm nên đường cong này dịch về phía trái.
Đường giới hạn trên và đường giới hạn dưới gặp nhau tại điểm K, gọi là điểm tới hạn. Trạng thái tại điểm K gọi là trạng thái tới hạn, đó chính là trạng thái mà không còn sự khác nhau giữa chất lỏng sôi và hơi bão hào khô. Các thông số tương ứng với trạng thái đó được gọi là thông số tới hạn, ví dụ nước có Pp, = 22,1Mpa,t, = 374°C, v,=0.00326m"/kg, i,= 2156,2kj/kg, s,=4,43kj/kgdo. 47 Hai đường giới hạn trên và dưới chia đồ thị làm 3 vùng.
Vùng bên trái đường giới hạn dưới là vùng nước chưa sôi, vùng bên phải đường giới hạn trên là vùng hơi quá nhiệt, còn vùng giữa hai đường giới hạn là vùng hơi bão hoà ẩm. Trong vùng bão hoà ẩm thì nhiệt độ và áp suất không còn là thông số độc lập nữa. Ung với nhiệt độ sôi, môi chất có áp suất nhất định và ngược lại ở một áp suất xác định, môi chất có nhiệt độ sôi tương ứng. Vì vậy, ở vùng này muốn xác định trạng thái của mỗi chất phải dùng thêm một thông số nữa gọi là độ khô x hay độ ẩm y của hoi, (y = 1- x).
Nếu xét G kg hỗn hợp hơi và nước (hơi ẩm), trong đó gồm , oF - (3-2) G'+G" hoặc độ ẩm: G' = 3-3 7 G'+G" c3 Như vậy ta thấy: Trên đường giới hạn dưới lượng hơi G” = 0, do đó độ khô x= O, độ 4m y=1. Còn trên đường giới hạn trên, lượng nước đã biến hoàn toàn toàn thành hơi nên G? = 0nghĩa là độ khô x = I, độ ẩm y = 0 và giữa hai đường giới hạn có độ khô: 0 < x < ] 3. Xác định các thông số trạng thái của nước và hơi bằng đồ thị hoặc bảng Cũng như hơi của các chất lỏng khác, hơi nước là một khí thực, do đó không thể tính toán theo phương trình trạng thái của khí lí tưởng được. Muốn tính toán chúng cần phải sử dụng các đồ thị hoặc bảng số đã được lập sắn cho từng loại hơi.
* Các bảng và xác định thông số trạng thái của nước + Bảng nước chưa sôi và hơi qua nhiệt: Để xác định trạng thái môi chất ta cần biết hai thông số trạng thái độc lập. Trong vùng nước chưa sôi và vùng hơi qua nhiệt, nhiệt độ và áp suất là hai thông số độc lập, do đó bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt được xây dựng theo hai thông số này. Bảng các thông số của nước chưa sôi và hơi nhiệt được trình bày ở phần phụ lục, bảng này cho phép xác định các thông số trạng thái v, ¡, s của nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ứng với từng giá trị áp suất và nhiệt độ xác định nào đó. Từ đó xác định được: u=1— pv (3-4) 48 + Bảng nước sôi và hơi bão hòa khô: Khi môi chất có trạng thái trong vùng giữa đường giới hạn dưới (đường nước sôi) và đường giới hạn trên (đường hơi bão hào khô) thì nhiệt độ và áp suất không còn là hai thông số độc lập nữa, vì vậy muốn xác định trạng thái của môi chất thì cần biết thêm một thông số khác nữa.
Độ khô cũng là một thông số trạng thái. Nước sôi có độ khô x = 0, hơi bão hòa khô có độ khô x= 1, như vậy trạng thái của môi chất trên các đường giới hạn này sẽ được xác định khi biết thêm một thông số trạng thái nữa là áp suất p hoặc nhiệt độ t. Chính vì vậy các thông số trạng thái khác của nước sôi và hơi bão hòa khô có thể được xác định bằng bảng nước sôi và hơi bão hoà khô theo áp hoặc nhiệt độ. Bảng “nước sôi và hơi bão hòa khô” có thể cho theo p hoặc t, được trình bày trong phần phụ lục, cho biết các thông số trạng thái của nước sôi (vì, ¡`, s`), hơi bão hòa khô (v”, 1”,s”) và nhiệt ấn hoá hơi r theo áp suất hoặc theo nhiệt độ.