ترمودینامیک ۲ مخلوط هوا بخار و تهویه مطبوع مدرس: علیرضا اسفندیار کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک - تبدیل انرژی دانشگاه امام حسین )ع( آموزش ترمودینامیک ۲

Transcript

1 ترمودینامیک ۲ مخلوط هوا بخار و تهویه مطبوع مدرس: علیرضا اسفندیار کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک - تبدیل انرژی دانشگاه امام حسین )ع( 1

2 هوای خشک و هوای جو: هوای جو: هوای خشک: در جو زمین که دارای مقداری رطوبت میباشد هوای جو نامیده میشود. به هوایی که بخار ندارد هوای خشک میگویند. میزان بخار هوا نقش مهمی در راحتی و آسایش انسان ها دارد. تاثیرگذاری در تهویه مطبوع دارد. بنابراین رطوبت پارامتر 2

3 هوای خشک و هوای جو: برای راحتی محاسبات بخار آب موجود در جو به صورت گاز ایده آل در نظر گرفته میشود و مخلوط هوا و بخار آب نیز همانند مخلوط گاز های ایده آل خواهد بود. فشار مخلوط هوا و بخار مجموع فشار جزیی هوای خشک و فشار بخار خواهد بود: P = P v + P a فشار بخار فشاری است که بخار آب اگر به تنهایی در درجه حرارت و حجم مخلوط قرار داشته باشد اعمال میکند. 3

4 هوای خشک و هوای جو: آنتالپی بخار آب موجود در هوا را میتوان با آنتالپی بخار آب اشباع در همان دما برابر در نظر گرفت: با استفاده از مقدار آنتالپی در 0 برای آنتالپی هوای خشک نیز داریم: و نیز یک مقدار میانگین برای h v (T, low P) h g T C p h g (T) T داریم: KJ KJ h dry air = C p T = Kg. T ( Kg ) 4

5 رطوبت نسبی و رطوبت مخصوص: ω = m v m a ω = m v m a = ω = 0.622P v P P v P v v Rv T P a v Ra T = P v P a رطوبت مطلق)رطوبت مخصوص(: 5

6 رطوبت نسبی و رطوبت مخصوص: رطئبت نسبی: مقدار رطوبتی که هوا در خود نگه میدارد نسبت به میزان حداکثر رطوبتی که هوا میتواند در یک دمای معین در خود نگه دارد: = m v = P v m g P g ω = 0.622φP g P φp g Pg = Psat@T با ترکیب معادالت رطوبت نسبی و مطلق داریم: 6

7 رطوبت نسبی و رطوبت مخصوص: برای آنتالپی کلی هوای اتمسفری با توجه به مفاهیم رطوبت نسبی و رطوبت مطلق داریم: h = h a + ωh g 7

8 نقطه شبنم: دمای نقطه شبنم عبارتست از دمایی که اگر هوا در فشار ثابت تا آن دما سرد شود تقطیر شروع میشود. به عبارت دیگر دمای نقطه شبنم دمای اشباع آب در فشار بخار میباشد. T dp = T sat@pv 8

9 نقطه شبنم: 9

10 دمای اشباع آدیاباتیک: هوا با رطوبت مخصوص ω 1 و دمای T 1 از درون یک کانال عایق بندی شده میگذرد با تبخیر آب رطوبت هوا طی این گذر افزایش میابد و دمای هوا کاهش میابد زیرا مقداری از گرمای نهان تبخیر آب از طریق هوا تامین میشود. اگر طول کانال به اندازه کافی بلند باشد هوا در خروج به صورت هوای اشباع )100% = ( خارج خواهد شد و دمای خروج هوا T 2 دمای اشباع آدیاباتیک نامیده میشود. 10

11 دمای اشباع آدیاباتیک: 11

12 دمای اشباع آدیاباتیک: اگر هوای ورودی اشباع شده باشد دمای اشباع آدیاباتیک مساوی دمای ورودی خواهد بود. دمای اشباع آدیاباتیک بین دمای ورودی و دمای نقطه شبنم خواهد بود. فرآیند اشباع آدیاباتیک روشی برای تعیین میزان رطوبت مطلق هوا میباشد. اما نیاز به یک کانال طویل و مکانیزم آب پاش خواهد داشت که از معضالت این روش به حساب میاید. 12

13 دمای حباب تر: دمایی که به وسیله دماسنج شکل زیر که حباب آن بوسیله یک فیتیله مرطوب پوشانده شده است اندازه گیری میشود دمای حباب تر T wb گفته میشود. با گذر هوا از درون فیتیله مقداری از آب بخار میشود و آب مقداری گرما از دست میدهد که با گرفتن گرما از هوا در دمایی متعادل خواهد شد. 13

14 نمودار رطوبت سنجی: حالت هوای جو در یک فشار خاص بوسیله دو خاصیت متمرکز مستقل تعیین میگردد خواص میتوانند از طریق روابط یا از طریق نمودار رطوبت سنجی بدست آیند. و بقیه 14

15 نمودار رطوبت سنجی: برای هوای اشباع دمای خشک مرطوب و نقطه شبنم نمایش داده شده است. 15

16 آسایش انسان و تهویه مطبوع: شرایط محیطی که انسان در آن قرار دارد تاثیر مستقیم راحتی بدن انسان دارد. بر راحتی انسان به سه عامل مهم دمای خشک رطوبت نسبی حرکت هوا بستگی دارد. 16

17 فرآیندهای تهویه مطبوع: سرد وگرم کردن ساده گرم کردن همراه با افزایش رطوبت سردکنندگی همراه با رطوبت گیری سرد کردن تبخیری اختالط آدیاباتیک جریان های هوا برج های خنک کن تر

18 ሶ ሶ ሶ ሶ ሶ ሶ ሶ ሶ ሶ ሶ آموزش ترمودینامیک ۲ فرآیندهای تهویه مطبوع: اغلب فرآیندهای تهویه مطبوع به صورت پایدار تحلیل میشوند و معادالت زیر بر آنها حاکم است: Q in + m a = in out m w = in W in + mh = in out m a m w Q out + W out + mh out 18

19 سرد و گرم کردن ساده: سیستم های گرم کننده خانگی مانند بخاری پمپ حرارتی یا یک هیتر الکتریکی شامل این دسته فرآیندها میباشد. در عمل رطوبتی به هوا اضافه یا کم نمیشود و مقدار رطوبت مخصوص هوا ثابت میماند.) حین گرم کردن رطوبت نسبی کاهش میابد.( اما در فرآیند در جهت باال رفتن دمای خشک بر روی خط رطوبت مخصوص ثابت در نمودار رطوبت سنجی ظاهر میشود. 19

20 سرد و گرم کردن ساده: 20

21 گرم کردن همراه با افزایش رطوبت: گرم کردن هوا باعث کاهش رطوبت نسبی هوا میشود که با افزایش مقداری رطوبت این مشکل مرتفع میشود. 21

22 سردکنندگی همراه با رطوبت گیری: در حین فرآیند سرد کردن ساده رطوبت مخصوص هوا ثابت باقی میماند و رطوبت نسبی هوا افزایش میابد. لذا با کاهش مقداری از رطوبت هوا مشکل رطوبت نسبی باال حل میشود. 22

23 سرد کردن تبخیری: امروز سیستم های سردکننده رایج اغلب از سیکل های تبرید مرسوم استفاده میکنند. اما از هزینه عملکرد و اولیه باالیی برخوردارند. در مناطق صحرایی میتوان از این هزینه باال به وسیله سرمایش با استفاده از خنک کن های تبخیری جلوگیری کرد. سرد کردن تبخیری براساس یک اصل ساده کار میکند: با بخار شدن آب گرمای نهان تبخیر از آب و هوای اطراف جذب میشود. در نتیجه هم آب و هم هوا حین فرآیند سرد میشوند. 23

24 سرد کن تبخیری: 24

25 اختالط آدیاباتیک جریان های هوا: در بسیاری از کابردهای تهویه مطبوع اختالط جریان های هوا قبل از ورود به ساختمان الزم میباشد. این فرآیند به صورت آدیاباتیک در نظر گرفته میشود. 25

26 ሶ ሶ ሶ ሶ ሶ ሶ ሶ ሶ ሶ ሶ ሶ آموزش ترمودینامیک ۲ اختالط آدیاباتیک جریان های هوا: ω 1 m a1 m a1 + m a2 = m a3 m a1 + ω 2 m a2 = ω 3 m a1 h 1 + m a2 h 2 = m a3 m a3 h 3 = ω 2 ω 3 = h 2 h 3 m a2 ω 3 ω 1 h 3 h 1 26

27 برج های خنک کن تر: نیروگاه ها سیستم های تهویه مطبوع بزرگ و برخی از صنایع مقادیر زیادی گرمای غیر مصرفی تولید مینمایند.در مواردی این گرمای مازاد به آب خنک کننده داده میشود و سپس این آب ( به عنوان واسط انتقال گرما ) گرما را به هوای جو انتقال میدهد. برج خنک کن تر برای خنک کاری آب خنک کننده استفاده میشود که با پاشیدن آب افزایش سطح تماس آب وهوا سطح انتقال حرارت را افزایش میدهد. و 27

28 برج خنک کن با جریان اجباری: 28

29 برج خنک کن با جریان طبیعی: 29

30 حوضچه پاشش: 30

31 سواالت کلیدی مهم: 1. هوای محلی با فشار جوی 102 کیلوپاسکال دارای درجه حرارت 32.7 و رطوبت نسبی %40 است. تعیین کنید نسبت به هر کیلوگرم هوای خشک چند گرم بخار آب در هوا موجود است. )فشار اشباع آب در 32.7 برابر 5 کیلوپاسکال است.(

32 جواب سوال 1: P = 102 kpa = 40% P g = 5 kpa P v = P g ω = P v = P P v kg kg dry air گزینه )1( صحیح است. 32

33 سوال ۲: یک لوله آب سرد را از اتاقی عبور میکند در نظر بگیرید. اگر دمای هوا 25 و رطوبت نسبی %50 باشد کمترین دمای جداره خارجی لوله را طوری تعیین کنید که هیچگونه تقطیری روی لوله انجام نپذیرد. دمای جداره خارجی لوله 25 دمای جداره خارجی لوله 0 باشد باشد دمای جداره خارجی لوله 13.7 باشد دمای جداره خارجی لوله 10 باشد P(Kpa) T

34 جواب سوال ۲: نقطه شبنم دمایی است که بخار موجود در هوا طی فرآیند فشار ثابتی در آن شروع به تقطیر میکند. بنابراین با توجه به فشار جزئی بخار آب موجود در هوا از روی جداول ارائه شده مشخص است که این فشار بین دو دمای 10 تا 15 قرار دارد. با میانیابی مقدار دقیق 13.7 میباشد. پس گزینه )3( صحیح است. T = 25 P g = kpa = 50% P v = P g = = Kpa 34

35 سوال 3: T به نمودار T-S بخار آب موجود در هوای موردنظر که در زیر نشان داده شده نگاه کنید. اگر درجه حرارت نقطه )1( نشانگر درجه حرارت خشک هوای مورد نظر باشد درجه حرارت کدام نقطه میتواند نشانگر درجه حرارت تر باشد 1. چون هوا اشباع است پس درجه حرارت نقطه )1(.2 بدون توجه به اینکه هوا اشباع است یا نه درجه حرارت نقطه درجه حرارت تر است درجه حرارت تر نیز میشود درجه حرارت نقطه درجه حرارت نقطه 3 درجه حرارت تر است 2 نمایانگر درجه حرارت تر میباشد نشانگر P = const 4 P = const S 35

36 جواب سوال 3: دمای تر همیشه از دمای خشک کمتر است. مگر زمانی که هوا اشباع باشد که با هم برابرند. در صورتی که هوا اشباع باشد نقطه 1 باید روی منحنی بخار اشباع باشد. بنابراین در این حاالت هوا اشباع نیست. بنابراین نقطه 1 و 4 اشباع نیستند. نقطه 2 نیز نمایانگر دمای نقطه اشباع است. بنابراین جواب صحیح نقطه )3( است. گزینه )3( صحیح است. 36

37 در چارت رطوبت سنجی عبارت زیر صحیح است )سایکرومتریک( سوال 4: هوایی در فشار محیط فرآیند 1 تا 2 را طی میکند. کدام هوا از یک کویل گرم عبور کرده است هوا از یک اسپری آب سرد عبور کرده است هوا از یک اسپری آب گرم عبور کرده است هوا از یک کویل سرد عبور کرده است (1) (2) ω T db 37

38 جواب سوال 4: با توجه به اینکه دمای خشک افزایش یافته بنابراین عملیات گرمایشی بر روی هوا انجام شده و از طرف دیگر افزایش نسبت رطوبت بیانگر افزودن رطوبت به هواست. پس گزینه )3( صحیح است. 38

39 سوال 5: یکی از شیوه های خنک نگه داشتن آب در گذشته نه چندان دور استفاده از کوره های سفالی بوده است. کوزه های حاوی آب در مکان سایه در معرض کوران هوا قرار میگیرد. بعد از مدتی آب مطبوع و خنک داخل کوزه را استفاده مینمودند. اگر محیط در دمای حباب خشک 35 = T و دمای حباب تر محیط 16 = wb Tباشد دمای آب کوزه و رطوبت نسبی تقریبی هوا چگونه است رطوبت نسبی تقریبی هوا %90 و دمای آب کوزه حدود 6 رطوبت نسبی تقریبی هوا %10 و دمای آب کوزه حدود 6 رطوبت نسبی تقریبی هوا %90 و دمای آب کوزه حدود 16 رطوبت نسبی تقریبی هوا %10 و دمای آب کوزه حدود 16 39

40 جواب سوال 5: همانطور که میدانید فرآیند سرمایش تبخیری به صورت یک خط دمای تر ثابت روی نمودار سایکرومتریک نمایان میشود و در بهترین حالت هوای اطراف کوزه به صورت اشباع درآمده و دمای خشک آن به دمای تر خواهد رسید و دمای آب درون کوزه نیز برابر دمای تر محیط میشود. از طرف دیگر روش سرمایش تبخیری زمانی جوابگو است که رطوبت نسبی هوا پایین باشد. گزینه )4( صحیح است. 40

41 سوال 6:.1 kg یک جریان هوا با دبی جرمی 2 در Τ s دمای 500kبا جریان هوای دیگری با دبی جرمی kg Τ s 1.6 در دمای 900kدر حالت دائم در یک محفظه به صورت آدیاباتیک مخلوط و از مجرای سومی خارج میشود. چنانچه گرمای ویژه هوا ثابت فرض شود. دمای خروجی چند درجه کلوین است هوا را گاز کامل فرض کنید

42 جواب سوال 6: T 3 = mሶ a 1 T 1 + mሶ a1 + mሶ a2 T 2 = mሶ a = k گزینه )1( صحیح است. 42

43 سوال 7: دمای حباب خشک و دمای حباب تر به ترتیب 35 و 30 درجه سانتی گراد است. انتظار میرود که دمای این هوا تا 20 کاهش یابد. مناسب ترین شیوه از نظر فنی و اقتصادی کدام راه حل میباشد عبور دادن هوا از میان اسپری آب عبور دادن هوا از میان کویل آب گرم سپس عبور از کویل آب سرد عبور دادن هوا از میان کویل آب سرد سپس عبور از کویل آب گرم عبور دادن هوا از میان کویل آب سرد 43

44 جواب سوال 7: با توجه به نزدیک بودن دمای خشک و تر انتظار میرود که هوا از رطوبت نسبی باال برخوردار باشد. بنابراین کولر تبخیری جوابگو نخواهد بود. چون به رطوبت نسبی ثانویه اشاره ای نشده از میان گزینه های )3( و )4( گزینه )4( اقتصادی تر است. گزینه )4( صحیح است. 44

45 سوال 8: هوای مرطوب را در ظرف صلبی خنک میکنیم تا اینکه اولین قطرات آب مشاهده شود. لحظه: در این دمای هوای مرطوب داخل ظرف کمتر از دمای نقطه شبنم حالت اولیه است. دمای هوای مرطوب داخل ظرف برابر از دمای نقطه شبنم حالت اولیه است. دمای هوای مرطوب داخل ظرف بیشتر از دمای نقطه شبنم حالت اولیه است. دمای هوای مرطوب داخل ظرف برابر از دمای حباب تر حالت اولیه است. 45

46 جواب سوال 8: در این مسئله فرآیند سرمایش یک فرآیند حجم ثابت است. اما دمای نقطه شبنم طی یک فرآیند فشار ثابت تعریف شده است. بنابراین با توجه به نمودار p-v دمایی که اولین قطره آب مشاهده شود در فرآیند حجم ثابت کمتر از فرآیند فشار ثابت است. پس گزینه )1( صحیح است. P = const 1 دمای نقطه شبنم T V 46

47 سوال 9: برای مخلوط هوا و بخار آب کدامیک از تعاریف زیر صحیح تر است دمای حباب مرطوب همان دمای حباب خشک است اگر رطوبت مطلق دمای حباب مرطوب تقریبی است از دمای اشباع آدیاباتیک )نسبت رطوبت( باال باشد. دمای حباب مرطوب تقریبی است از دمای حباب خشک اگر مخلوط کامال خشک باشد دمای حباب مرطوب همان دمای نقطه شبنم است اگر درجه حرارت باالی دمای نقطه انجماد آب باشد 47

48 جواب سوال 9: دمای اشباع آدیاباتیک و دمای تر یکسان نیستند اما برای مخلوط های هوا-بخار آب در فشار جو این دو تقریبا با هم برابرند. گزینه )2( صحیح است. 48

49 سوال 10: مخلوط هوا وبخارآب در یک اتاق دارای دمای 35 و رطوبت نسبی %50 میباشد. اگر فشار کل مخلوط 100 کیلوپاسکال و فشار اشباع جز بخار در دمای مخلوط Pباشد. v = 5.6 kpa رطوبت g vapor مطلق یا نسبت رطوبت به طور تقریبی چند است kg air

50 جواب سوال 10: = 50% P = 100 kpa P v = 5.6 kpa ω = 0.622P v = P a = kg vapor kg air =17.8 g vapor kg air گزینه )3( صحیح است. 50

51 بیان نکات و خالصه درس 51

52 ترمودینامیک ۲ آموزش این اسالید ها بر مبنای نکات مطرح شده در»آموزش ترمودینامیک ۲«تهیه شده است. برای کسب اطالعات بیشتر در مورد این آموزش به لینک زیر مراجعه نمایید