Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chapter 5: Mass & Energy analysis of control volume (Bảo toàn năng lượng hệ hở) - Lê Văn Điểm

 conservation)
• Conservation of mass: Mass, like energy, is a • Bảo toàn khối lượng: Vật chất không bị mất đi 
 conserved property, and it cannot be created hay sinh ra trong 1 quá trình, chỉ có thể biến 
 or destroyed during a process. đổi.
• Closed systems : The mass of the system • Hệ kín: Lượng vật chất của hệ là hằng số.
 remain constant during a process. • Hệ hở: Vật chất có thể đi qua biên hệ. Cần phải 
• Control volumes : Mass can cross the xác định và kiểm soát lượng vật chất truyền 
 boundaries, and so we must keep track of the qua biên hệ.
 amount of mass entering and leaving the 
 control volume.
Lưu lượng khối lượng của dòng chảy
• Lưu lượng khối lượng (Mass flow rate):
 ρ: khối lượng riêng (kg/m3)
 Vận tốc trung bình:
 V: Vận tốc pháp tuyến (m/s) •
 A: Diện tích thiết diện (m2)
 2
 4/13/2018
Lưu lượng thể tích của dòng chảy
• Lưu lượng thể tích (Volume flow rate):
• Quan hệ Mass flow và Volume flow:
 ρ: khối lượng riêng (kg/m3)
 V: Vận tốc pháp tuyến (m/s)
 A: Diện tích thiết diện (m2)
 ν: Thể tích riêng (m3/kg)
 : Thể tích (m3)
Nguyên lý bảo toàn khối lượng 
(Mass Conservation/Mass Balance)
 • Hiệu số lượng vật chất vào HT và ra khỏi hệ thống bằng khối lượng thay 
 đổi của hệ:
 3
 4/13/2018
Nguyên lý bảo toàn khối lượng 
(Mass Conservation/Mass Balance)
• Tổng lượng vật chất trong hệ thống (kg):
• Tốc độ thay đổi lượng vật chất (kg/s):
• Tốc độ thay đổi lượng vật chất = Hiệu tốc độ dòng 
 chảy vào và ra:
Bảo toàn khối lượng của hệ hở ổn định (steady flow)
• Dòng chảy ổn định: 
 ▫ Khối lượng của hệ không đổi: m = const,
 ▫ Lưu lượng khối lượng vào = ra.
• Single stream (đơn dòng): 
 ρ: khối lượng riêng (kg/m3)
 V: Vận tốc dòng (pháp tuyến) (m/s)
 A: Diện tích thiết diện (m2)
 4
 4/13/2018
 Một số ví dụ các thiết bị có steady flow
 • Ống phun (Nozzle): Là thiết 
 bị để tăng tốc dòng (vòi 
 cứu hỏa, tuabin);
 • Ống khuếch tán (Diffuser): 
 Là thiết bị giảm tốc dòng 
 (cửa đẩy bơm ly tâm, máy 
 nén);
 • Van tiết lưu (Throttling): 
 Giảm lưu lượng, hạ nhiệt độ 
 (trong máy lạnh);
 • Buồng hòa trộn;
 • Thiết bị trao đổi nhiệt.
P1
 Dòng chất lỏng không nén được (incompressible fluid)
 • Lưu chất (chất lưu động được): Fluid = Liquid 
 + Gas;
 ▫ Lưu chất không nén được: Incompressible 
 Fluids (Liquids, ví dụ: Nước thể lỏng);
 ▫ Lưu chất nén được: Compressible Fluids 
 (Gases, ví dụ: Không khí).
 • Dòng chảy ổn định của chất lỏng: ρ = const.
 Lưu lượng thể tích dòng vào và ra bằng nhau
 Note: Không có nguyên lý bảo toàn thể tích 
 5
Slide 10
P1 Prof.Diem; 02/04/2018
 4/13/2018
Ví dụ: Vòi phun (Nozzle)
 Vòi phun làn vườn có đường kính cửa vào 2cm, cửa ra 0,8cm. Mất 50s để điền 
 đầy xô nước 20 lít.
 a. Xác định lưu lượng thể tích, lưu lượng khối lượng của dòng chảy.
 b. Xác định vận tốc trung bình của dòng nước ở cửa và và cửa ra vòi phun.
 Solution: 
 - Lưu lượng thể tích:
 - Lưu lượng khối lượng:
 ʖ
 - Tốc độ dòng vào/ra: V(in/out) = k
 ʚ$)/*0/ʛ
5.2: Công lưu động (Flow work) và năng lượng của dòng
 • Tưởng tượng piston đẩy dòng chảy (tác 
 động lực F lên diện tích A, đẩy khối chất 
 lỏng dịch chuyển khoảng cách L):
 • Định nghĩa: Công lưu động là công (năng 
 lượng) cần thiết để đẩy dòng chuyển động.
 6
 4/13/2018
Năng lượng tổng của dòng chảy 
 • Năng lượng tổng của hệ: • Năng lượng dòng chảy
 (thêm phần năng lượng đẩy dòng chuyển động Pv)
 ͜ Ɣ ͊ͪ ƍ ͩ ʚ͙͕ͨͤͭ͢͜͠ʛ
 Note: Enthalpy là thông số trạng thái liên 
 quan đến dòng lưu động
Truyền năng lượng dòng chảy (Energy transport by Mass)
 • Công thức tổng quát cho dòng chảy (hệ hở):
 • Với hệ hở tĩnh tại: Bỏ qua động năng, thế năng:
 Note: Hầu hết thường gặp các hệ hở tĩnh tại, ổn Question: Tại sao hệ hở có dòng chảy mà lại nói “Hệ tĩnh tại” và 
 định, một chiều. bỏ qua động năng của hệ?
 Answer: Dòng chảy vào/ra hệ, còn hệ thì đứng im. Ví dụ động cơ 
 tuabin phát điện.
 7
 4/13/2018
5.3: Phân tích năng lượng hệ hở ổn định
• Thường gặp các hệ hở ổn định (flow stream): 
 Tuabin, máy nén, ống phun 
Phân tích năng lượng hệ hở ổn định
• Cân bằng vật chất:
 ▫ Hệ đơn dòng: 
• Cân bằng năng lượng:
 ▫ Hệ hở ổn định: Hệ không tích trữ năng lượng:
 ▫ ̿ Ɣ ͗ͣͧͨ͢; ∆̿ Ɣ 0
 8
 4/13/2018
Phân tích năng lượng hệ hở ổn định
 • Nhớ lại: 3 dạng truyền năng lượng (heat, work, mass)
 • Với dòng chảy ổn định:
 • Sắp xếp lại:
 • Bỏ qua động năng, thế năng:
Phân tích năng lượng hệ hở ổn định
 • Khi bỏ qua động năng, thế năng:
 • Trong đó:
 Là lượng nhiệt 1kg môi chất của hệ trao đổi với môi trường:
 - Thường gặp hệ có nhiệt độ cao → Hệ mất nhiệt ( q âm).
 - Nếu hệ được bọc cách nhiệt tuyệt đối (adiabatic) → q = 0.
 ͑ʖ Ɣ ̽ô͛͢ ͧͩấͨ ʚ͙͊ͣͫͦʛʖ
 - Với dòng chảy, không tồn tại công dịch chuyển biên hệ: ͑͘ Ɣ ͊͐͘ Ɣ 0.
 - Công lưu động ( Pv ) đã nằm trong thành phần enthalpy.
 - Các hệ thống có công trên trục (tuabin, máy nén, bơm), W chính là shaft work.
 - Nếu hệ thống nhận năng lượng điện, W là công điện.
 - Các hệ thống không có công trên trục, công điện (ống phun) thì W = 0. 
 9
 4/13/2018
5.4: Phân tích năng lượng một số thiết bị tiêu biểu
Steady-state engineering devices
 • Nozzles/Diffusers: ống - Các thiết bị trong các nhà máy như tuabin, máy nén, bơm  
 phun/khuếch tán – tăng tốc/giảm thường làm việc liên tục hàng tháng mới cần dừng để bảo dưỡng.
 tốc dòng chảy. - Các quá trình trong các thiết bị đó là ổn định (steady).
 • Turbines/Compressors: Động cơ 
 Tuabin/Máy nén:
 ▫ Tuabin: Sinh công trên trục;
 ▫ Máy nén: Tiêu thụ công để nén, 
 vận chuyển chất khí.
 • Throttling Valves: Van tiết lưu –
 tạo hiệu ứng giảm nhiệt độ (máy 
 lạnh).
 • Mixing chambers: Bộ trộn – tạo 
 hỗn hợp theo yêu cầu.
 • Heat Exchangers: Thiết bị trao đổi 
 nhiệt – trao đổi nhiệt giữa 2 dòng 
 môi chất qua vách ngăn.
1. Ống phun/Ống khuếch tán (Nozzles and Diffusers)
 • Ống phun và ống khuếch 
 tán được sử dụng phổ biến 
 trong các động cơ phản lực, 
 rocket, máy bay và các thiết 
 bị dân dụng như vòi phun 
 nước (cứu hỏa, tưới nước):
 ▫ Ống phun (Nozzle) là thiết bị 
 tăng tốc độ dòng chảy trong 
 khi giảm áp suất;
 ▫ Ống khuếch tán là thiết bị Note 1: 
 tăng áp suất dòng chảy khi - Ở dải tốc độ nhỏ hơn âm thanh 
 giảm tốc độ dòng. (subsonic), ống phun có thiết diện nhỏ 
 dần; Ngược lại, ở tốc độ siêu âm 
 • Ống phun và Ống khuếch (supersonic), ống phun có thiết tăng dần.
 tán ngược nhau - Tương tự đối với ống khuếch tán.
 10
 4/13/2018
1. Ống phun/Ống khuếch tán (Nozzles and Diffusers)
1. Ống phun/Ống khuếch tán (Nozzles and Diffusers)
• Với ống phun, ống khuếch tán:
 ▫ Không có trao đổi nhiệt qua biên hệ: Q = 0;
 ▫ Không có trao đổi công qua biên hệ: W = 0;
 ▫ Thế năng thay đổi không đáng kể: ∆PE = 0 
 
P           ; 
 ▫ Chỉ có động năng của dòng thay đổi: ∆KE ≠ 0
 ͐ͦ Ǝ ͐ͦ
 ∆̿ͅ Ɣ ͡ ͦ ͥ ; ͐ͦ ≫ ͐ͦ
 2 ͦ ͥ
 11
 4/13/2018
Cân bằng năng lượng Nozzle/Diffuser
• Tổng quát:
Q = 0
W = 0
∆PE = 0
• Cân bằng năng 
 lượng ống 
 phun/khuếch tán
Cân bằng năng lượng Nozzle/Diffuser
• Ví dụ: Hơi nước có áp suất 1,8MPa, nhiệt độ 400 0C chảy vào ống phun 
 có diện tích thiết diện 0,02m 2. Lưu lượng dòng chảy là 5kg/s. Dòng hơi 
 ra khỏi ống phun có áp suất 1,4MPa, tốc độ 275m/s. Tổn thất nhiệt ra 
 ngoài môi trường là 2,8kJ/kg. Hãy xác định:
 ▫ a/ tốc độ dòng hơi vào ống phun;
 ▫ b/ nhiệt độ hơi ra khỏi ống phun.
 12
 4/13/2018
2. Tuabin và máy nén (Turbines & Compressors)
 • Tuabin: là thiết bị tiếp nhận năng lượng từ 
 dòng chảy để sinh công (W>0). Dòng chảy 
 truyền năng lượng lên cánh tuabin gắn trên 
 trục (Ví dụ: Tuabin hơi, khí, thủy điện).
 • Máy nén, Quạt gió (Fan), Bơm (Pump): là 
 các thiết bị tiêu thụ công (W<0) để tăng áp 
 suất dòng chảy:
 ▫ Máy nén: Để nén chất khí đến áp suất cao.
 ▫ Quạt: Tăng áp suất không đáng kể, chủ yếu 
 dùng để vận chuyển (lưu thông) chất khí.
 ▫ Bơm: Hoạt động tương tự như máy nén hay 
 quạt, nhưng môi chất là chất lỏng (liquid).
2. Tuabin và máy nén (Turbines & Compressors)
 13
 4/13/2018
2. Tuabin và máy nén (Turbines & Compressors)
Cân bằng năng lượng Turbine/Compressor
• W>0 cho tuabin; W<0 cho 
 máy nén, quạt, bơm.
• Q = 0 nếu hệ cách nhiệt.
• ∆PE ≅ 0.
• ∆KE tùy trường hợp có thể 
 tính hoặc bỏ qua:
 ▫ Với tuabin ∆KE > 0;
 ▫ Với máy nén ∆KE rất nhỏ;
 ▫ Với bơm ∆KE rất nhỏ.
 14
 4/13/2018
Cân bằng năng lượng Turbine/Compressor
• Ví dụ 1: Một máy nén có áp suất và nhiệt 
 độ khí vào là 100kPa và 280K, nén không 
 khí đến áp suất 600kPa và nhiệt độ 400K. 
 Lưu lượng máy nén là 0,02kg/s. Tốc độ 
 tỏa nhiệt của máy nén ra môi trường là 
 16kJ/kg. Hãy xác định công suất tiêu thụ 
 nếu bỏ qua sự thay đội động năng và thế 
 năng của hệ?
Cân bằng năng lượng Turbine/Compressor
• Ví dụ 2: Một tuabin hơi nước phát điện 
 được bọc cách nhiệt, phát ra công suất 
 5MW có các thông số công tác như ở 
 hình bên:
• a/ Hãy so sánh ∆h, ∆ke, và ∆pe.
• b/ Xác định công/đơn vị khối lượng dòng 
 hơi qua tuabin.
• c/ Xác định lưu lượng dòng qua tuabin.
 15
 4/13/2018
3. Tiết lưu (Throttling)
 • Van tiết lưu: là thiết bị tạo 
 sự sụt áp suất khi giảm 
 đột ngột thiết diện lưu 
 thông:
 ▫ Không trao đổi nhiệt: vì 
 thiết bị rất nhỏ, quá trình 
 xảy ra rất nhanh;
 ▫ Không trao đổi công.
 • Áp suất giảm thường kèm 
 theo hiệu ứng giảm nhiệt Thiết bị tiết lưu:
 độ. - Van tiết lưu: thay đổi độ mở bằng tay hoặc 
 tự động;
 ▫ Van tiết lưu thường sử - Lỗ tiết lưu: thiết diện không đổi;
 dụng trong các thiết bị - Ống mao dẫn: là đoạn ống nhỏ (tủ lạnh)
 làm lạnh.
Cân bằng năng lượng Throttling
 • Throttling:
 ▫ P1>P2
 ▫ Q ≅ 0
 ▫ W = 0
 ▫ ∆PE ≅ 0
 ▫ ∆KE ≅ 0
 Note: Tổng nội năng (u) và năng 
 • Cân bằng năng lượng lượng dòng chảy (Flow work, P.v) là 
 quá trình tiết lưu: không đổi, chúng biến đổi lẫn nhau.
 16
 4/13/2018
Cân bằng năng lượng Throttling
• Ví dụ: Công chất lạnh R134a ở 
 trạng thái bão hòa có áp suất 
 0,8MPa đi vào một ống mao dẫn 
 (capillary tube), áp suất giảm đến 
 0,02MPa. Hãy xác định:
 ▫ a/ phẩm chất (x) của công chất sau 
 tiết lưu.
 ▫ Nhiệt độ trước, sau tiết lưu và độ 
 giảm nhiệt độ.
 Note:
 - Tiết lưu không khí không làm giảm nhiệt độ vì h = f(T),
 h1 = h2 → T1 = T2.
 - Không thể sử dụng các loại khí lý tưởng để làm công chất lạnh.
4a. Quá trình hòa trộn (mixing)
• Hòa trộn 2 hai nhiều dòng môi chất:
 ▫ Không trao đổi nhiệt Q ≅ 0.
 ▫ Không trao đổi công W = 0.
 ▫ Không thay đổi thế năng ∆PE ≅ 0
 ▫ Không thay đổi động năng ∆KE ≅ 0
• Bảo toàn khối lượng(hệ ổn định):
• Bảo toàn năng lượng:
 17
 4/13/2018
 4a. Quá trình hòa trộn (mixing)
 • Ví dụ: Dòng nước nóng 60 0C hòa trộn với nước lạnh 10 0C để được nhiệt độ 
 mong muốn 45 0C. Biết áp suất là 150kPa. Xác định tỷ lệ giữa hai loại.
 ͡1.͜1ƍ͡2.͜2 Ɣ ͡1 ƍ ͡2 ͜3;
 ͡1 ͡1
 ͜1 ƍ ͜2 Ɣ ͜3 ƍ ͜3;
 ͡2 ͡2
 ͡1
 ͜1Ǝ͜3 Ɣ͜3Ǝ͜2; 
 ͡2
 ͡1 ͜3 Ǝ ͜2
 Ɣ
 ͡2 ͜1 Ǝ ͜3
Khi P = 150kPa, nhiệt độ bão hòa là 111,35 0C (Table A5)
→ Là nước chưa sôi (Compressed liquid).
→ Enthalpy (h) coi như bằng enthanpy của nước bão 
 hòa ở cùng nhiệt độ.
→ Tra bảng tìm h1, h2, h3 của nước bão hòa ở các nhiệt 
 độ 60, 10, 45 0C (Table A5)
 Question: Nước ở nhiệt độ 60 0C, áp suất 150kPa, muốn 
 nước sôi (bão hòa) ở nhiệt độ đó thì làm thế nào? 
 4b. Thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchangers)
 • Heat Exchanger là thiết 
 bị dung để trao đổi 
 nhiệt giữa 2 dòng môi 
 chất qua vách ngăn 
 cách. Được sử dụng 
 rộng rãi trong kỹ thuật.
 • Có nhiều loại thiết kế 
 khác nhau: 2 loại cơ 
 bản:
 ▫ Shell-Tube heat 
 exchangers;
 ▫ Plate heat exchangers.
 ▫ Khi một chất là không 
 khí thì thường gọi là 
 Radiator.
 18
 4/13/2018
Cân bằng năng lượng Heat Exchangers
 • Cân bằng khối lượng:
  
 ͡$) Ɣ ͡*0/
  
 ͡$) Ɣ ͡*0/
 • Cân bằng năng lượng: 
 ▫ W = 0 (hệ không trao đổi công).
 ▫ Q: 2 trường hợp:
 
 Khi cả 2 dòng chảy là chung 1 hệ: 
 Q ≅ 0 (cả thiết bị được bọc cách 
 nhiệt).
 
 Khi chỉ tính 1 dòng: Q ≠ 0:
 
 Q > 0, môi chất nhả nhiệt (làm mát 
 – Cooler);
 
 Q < 0, môi chất nhận nhiệt (hâm 
 nóng - Heater).
Cân bằng năng lượng Heat Exchangers
 • Ví dụ: Bầu ngưng (condenser) môi chất lạnh R134a được làm mát 
 bằng nước. R134a ở áp suất 1MPa, 70 0C, lưu lượng 6kg/min và ra 
 khỏi bầu ngưng ở 35 0C. Nước làm mát ở áp suất 300kPa, nhiệt độ 
 vào 15 0C, nhiệt độ ra 25 0C. Xác định:
 ▫ a/ Lưu lượng nước làm mát.
 ▫ b/ Tải nhiệt R134a truyền cho nước.
 Bảo toàn khối lượng:
 Cân bằng năng lượng:
 Vì W = 0, Q ≅ 0, ∆KE = 0, ∆PE = 0:
 Xác định h1, h2: Xác định h3, h4: 
 - Ở P = 300kPa và nhiệt độ 15-25 0C, nước ở trạng thái lỏng - Ở P = 1MPa và 70 0C, R134a là hơi quá nhiệt (superheated) →
 chưa sôi (compressed liquid). tra Table A13 tìm h3.
 - Enthalpy của compressed liquid được coi là bằng enthalpy - Ở P = 1MPa và 35 0C, R134a là lỏng (compressed liquid) → tra 
 của nước bão hòa cùng nhiệt độ → tra Table A4 ở 15, 25 0C Table A11 tìm h4 (enthalpy lỏng bão hòa cùng nhiệt độ).
 19
 4/13/2018
Cân bằng năng lượng Heat Exchangers
 • Ví dụ: Bầu ngưng (condenser) môi chất lạnh R134a được làm mát 
 bằng nước. R134a ở áp suất 1MPa, 70 0C, lưu lượng 6kg/min và ra 
 khỏi bầu ngưng ở 35 0C. Nước làm mát ở áp suất 300kPa, nhiệt độ 
 vào 15 0C, nhiệt độ ra 25 0C. Xác định:
 ▫ a/ Lưu lượng nước làm mát.
 ▫ b/ Tải nhiệt R134a truyền cho nước.
 Cân bằng năng lượng khi tách dòng R134a khỏi hệ:
 - Chỉ tính với nước.
 - Nước nhận nhiệt lượng từ R134a.
 ʖ
 ̿ ͢͝, ͕͙ͫͨͦ Ɣ ͋$) ƍ ͡2/ - ͥ͜
 ʖ
 ̿ ͣͩͨ,͕͙ͫͨͦ Ɣ ͡2/ - ͦ͜ Question: 
 - Vì sao kết luận P = 300kPa, T = 20 0C thì nước = lỏng 
 ͋$) ƍ ͡2/ - ͥ͜ Ɣ ͡2/ - ͦ͜ chưa sôi (compressed liquid)?
 - Vì sao kết luận P = 1MPa, T = 70 0C thì R134a là hơi qúa 
 ͋$) =͡2/ - ͦ͜ Ǝ ͡2/ - ͥ͜ nhiệt (superheated vapor)?
5. Dòng chảy trong ống (Pipe and Duct Flow)
 • Pipe = ống: Thường chỉ ổng dẫn chất lỏng hoặc khí/hơi áp 
 suất cao;
 • Duct: Thường chỉ các kênh dẫn khí, không khí ở áp suất 
 thấp. Ví dụ trong thông gió, điều hòa không khí.
 • Dòng chảy có thể liên quan đến trao đổi nhiệt và/hoặc 
 công:
 ▫ Nhiệt: Nhận nhiệt khi sưởi, tỏa nhiệt ra ngoài môi trường. 
 Tùy trường hợp Q = 0 hoặc ≠ 0.
 ▫ Công: Quạt, bơm tạo dòng. Thường bỏ qua (W = 0).
 ▫ ∆KE thường bỏ qua.
 ▫ ∆PE thường bỏ qua.
 20
 4/13/2018
Dòng chảy trong ống (Pipe and Duct Flow)
• Đặc điểm: Có thể có sự tham gia của các thành phần nhiệt 
 năng Q, công W (công điện, cơ học), mass flow.
• Thường gặp: Điều hòa không khí (làm lạnh, sưởi).
• Ví dụ: Bộ sưởi điện có công suất may so 15kW. Dòng khí vào ở 
 áp suất 100kPa, lưu lượng 150m3/min, nhiệt độ 17 0C. Nhiệt 
 tổn thất qua vách ống là 200W. Xác định nhiệt độ dòng khí ra. 
 ͥ͜ Ɣ ̽+͎ͥ; ͦ͜ Ɣ ̽+͎ͦ
Summary
• Nguyên lý bảo toàn khối lượng:
• Mass Flow Rate (phương trình liên lục): = const.
• Phương trình năng lượng dòng chảy:
• Bảo toàn năng lượng hệ hở ổn định: 
• Các dạng hệ hở ổn định tiêu biểu:
 ▫ Nozzles/Diffusers;
 ▫ Turbines/Compressors;
 ▫ Mixing Chambers;
 ▫ Throttling Valves;
 ▫ Heat Exchangers.
 21