CHƯƠNG CHƯƠNG 55CHU TRÌNH NHICHU TRÌNH NHIỆỆT ĐT ĐỘỘNG NG

CCỦỦAA MMỘỘT ST SỐỐ THITHIẾẾT BT BỊỊ NHINHIỆỆTT

5.15.1. CHU TRÌNH . CHU TRÌNH NHINHIỆỆT ĐT ĐỘỘNGNG CCỦỦA KHA KHÍÍ LÝ TƯ LÝ TƯỞỞNGNG

5.1.15.1.1. . Chu trChu trìình đnh độộng cơ đng cơ đốốt trongt trong

Xy lanh

Piston

- Theo loại nhiên liệu: xăng và diezen

- Theo cách cháy nhiên liệu: cháy cưỡng bức (buzi), động cơ tựcháy

- Theo hành trình làm việc của piston: 2 kỳ, 4 kỳ

- Theo tính chất quá trình cháy: động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳngtích, động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp, cấp nhiệt hỗn hợp.

5.1.25.1.2. . PhânPhân loloạạii

Các giả thiết

Ta giả thiết có 1 kg chất môi giới là khí lý tưởng

Quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt thuận nghịch.

Ta lý tưởng hoá quá trình cháy của nhiên liệu thành quá trìnhcấp nhiệt

Lý tưởng hoá quá trình thải sản phẩm cháy của nhiên liệuthành quá trình thải nhiệt đẳng tích

Các đại lượng đặc trưng

Tỷ số nén: 1

2

vv

Tỷ số tăng áp: 3

2

pp

Hệ số giãn nở sớm: 3

2

vv

5.1.35.1.3. Chu . Chu trtrììnhnh đđộộngng cơcơ đđốốtt trongtrong ccấấpp nhinhiệệtt đđẳẳngng ttíích ( Chu ch ( Chu trtrìình Otto)nh Otto)

1-2: Nén đoạn nhiệt

2-3: Cấp nhiệt đẳng tích

3-4: Giãn nở đoạn nhiệt

4-1:Thải nhiệt đẳng tích2

t1

q1

q

q1 = q23 = Cv(T3 – T2)

q2 = q41= Cv(T1 – T4)

v 4 1 4 1t

v 3 2 3 2

C (T -T ) (T -T )η = 1- =1-C (T -T ) (T -T )

5.1.45.1.4. . ĐĐộộngng cơcơ ccấấpp nhinhiệệtt đđẳẳngng áápp ( Chu tr( Chu trìình Diesel)nh Diesel)

2t

1

q1

q

1-2: Nén đoạn nhiệt

2-3: Cấp nhiệt đẳng áp

3-4: Giãn nở đoạn nhiệt

4-1:Thải nhiệt đẳng tích

q1 = q23 = Cp(T3 – T2)

q2 = q41= Cv(T1 – T4)v 4 1 4 1

tp 3 2 3 2

C (T -T ) (T -T )η = 1- =1-C (T -T ) k(T -T )

5.1.55.1.5. . ĐĐộộngng cơcơ ccấấpp nhinhiệệtt hhỗỗnn hhợợpp

1-2: Nén đoạn nhiệt

2-2’: Cấp nhiệt đẳng tích

2’-3: Cấp nhiệt đẳng áp

3-4: Giãn nở đoạn nhiệt

4-1:Thải nhiệt đẳng tích 1

4

p3

2

2’

v

s

T

1

2

3

4

2’

1

2t q

q1 -=η

v 4 1t

v 2' 2 p 3 2'

C (T -T )η = 1-C (T - T )+C (T -T )

4 1t

2' 2 3 2'

(T -T)η =1-(T -T )+k(T -T )

q1 = q22’ + q2’3q1= Cv(T2’ – T2) + Cp(T3 – T2’)q2 = q41= Cv(T1 – T4)

• Xác định hiệu suất nhiệt theo T1 và , ,

k -1

k -12 1

1 2

T v= = εT v

k -12 1T = T . ε

Quá trình 1-2: nén đoạn nhiệt

2' 2'

2 2

T p= = λT p

k -12 ' 2 1T = T .λ = T .ε .λ

Quá trình 2-2’: cấp nhiệt đẳng tích

k-13 33 2' 1

2' 2'

T v= =ρ T =T .ρ=T .ε .λ.ρT v

Quá trình 2’-3: cấp nhiệt đẳng áp

k-1

4 3

3 4

T v=T v

Quá trình 3- 4: giãn nở đoạn nhiệt

k-1 k-1 k-1 k-1k-1 k4 2

4 3 1 1k-1 k-13 1

T ρv ρ ρ ρ= = T =T . =T .ε .λ.ρ. =T .λ.ρT v ε ε ε

k

t k-1

λρ -1η =1-ε λ-1 +kλ ρ-1

- Nếu 32’ thì =1

t k -1

1η = 1 -ε

- Nếu 2 2’ thì =1

k

t k-1

1 ρ -1η = 1- .ε k(ρ-1)

5.1.6.5.1.6. So So ssáánhnh hihiệệuu susuấấtt nhinhiệệtt ccủủaa chuchu trtrììnhnh đđộộngng cơcơ đđốốtttrongtrong ((ηηctpctp, , ηηctct, , ηηctvctv))

a. Khi có cùng tỉ số nén ε và nhiệt lượng q1 cấp vào cho chu trình

ηctv > ηct > ηctp

b. Khí có cùng áp suất và nhiệt độ lớn nhất, nhỏ nhất:

ηctp > ηct > ηctv

5.1.75.1.7 Chu Chu trìtrìnhnh tuabintuabin khikhi

Tuabin khi có nhiều ưu điểm: - Thiết bị gọn nhe, công suất lớn.- Không có cơ cấu biến chuyển động thẳng thành

chuyển động quay.- Sô vòng quay đạt được lớn, momen quay đều va liên

tục.- Điều khiển đơn giản.

Nhưng việc sư dụng bị hạn chê là do chưa có được nhữngvật liệu làm việc liên tục ở nhiệt đô cao. Kho khăn trong việcchê tạo được máy nén có công suất lớn, chỉ làm việc đượcvới nhiên liệu lỏng hoặc khi.

SơSơ đôđô nguyênnguyên lyly hoạhoạtt đđộộngng::

3

1

V

IV

II

I

III

VI2

4

5.1.8.5.1.8. Chu Chu trìtrìnhnh tuabintuabin khikhi ccấấpp nhinhiệệtt đđẳẳngng ááp Braytonp Brayton

1-2: quá trình nén đoạn nhiệt môi chất trong máy nén; q12 = 0;2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng áp trong buồng đốt.

q1 = q23 = Cp.(T3 - T2)3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong ống tăng tốc và trong tuabin; q43 = 04-1: quá trình thải nhiệt đẳng áp.

q2 = q41 = Cp.(T1 – T4)

Các đại lượng đặc trưng của chu trình:

- Tỷ số tăng áp của quá trình nén: 2

1

pp

- Tỷ số giãn nở sớm (trong quá trình cấp nhiệt):3

2

VV

Các quá trình:

Hiệu suất chu trình thực

5.2 Chu tr5.2 Chu trìình khnh khíí ththựựcc5.2.1 Chu trình Carnot hơi nước

Hiệu suất: 2c

1

T1T

5.2.2 Chu tr5.2.2 Chu trìình Rankinenh Rankine

Các biện pháp nâng cao hiệu suất của chu trình

1

2c

maxt T

T1

* Giảm nhiệt độ trung bình của quá trình nhả nhiệt T2tb

* Nâng cao nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt T1tb

Chu trình Rankine có nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng từ t1lên t10 khi áp suất hơi quá nhiệt p1 và áp suất cuối p2 không đổi. Khi đó nhiệt độ trung bình T1tb của quá trình cấp nhiệt 3451 tăng lên thì hiệu suất nhiệt ηt của chu trình tăng lên.

5.3. Chu trình Rankine có quá nhiệt trung gian

5.3.1. Hệ thống thiết bị và chu trình

5.3.2. Công, nhiệt lượng, hiệu suất và suất tiêu hao hơi

Công của chu trình:wo=( i1-ia) + (ib-i2) – (i3-i2’) ( i1-ia) + (ib-i2) vì coi i3=i2’

Nhiệt lượng cấp vào:q1=(i1-i3)+(ib-ia)

Nhiệt lượng thải ra:q2=i2-i2’

Hiệu suất của chu trình:

1 a b 2T

1 3 b a

i i i ii i i i

Suất tiêu hao hơi:

1 a b 2

1di i i i

5.4. Chu trình hồi nhiệt và chu trình trích hơi gia nhiệt nước cấp

5.4.1. Hệ thống thiết bị và chu trình:

Trong bình gia nhiệt 5b, lượng nhiệt do g2 kg hơi trích thải ra trong quá trình ngưng tụ phải vừa đủ để gia nhiệt (1-g1-g2) kg nước ngưng từ trạng thái 3 thành nước bão hòa 2’b, nghĩa là:

g2(i2b-i’2b) = (1-g1-g2)(i’2b-i3)

Trong bình gia nhiệt 5a, lượng nhiệt do g1 kg hơi trích thải ra trong quá trình ngưng tụ phải vừa đủ gia nhiệt (1-g1) kg nước từtrạng thái 3b thành nước bão hòa ở trạng thái 2’a. Ta có:

g1(i2a-i’2a) = (1-g1)(i’2a-i3b)

'2a 3b

12a 3b

i igi i

'2b 3

22b 3

i igi i

5.4.2. Công, nhiệt lượng, hiệu suất và suất tiêu hao hơi

Công sinh ra trong các quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong các cấp tuabin:

wo=1( i1-i2a) + (1-g1)(i2a-i2b) +(1-g1-g2)(i2b-i2)

Nếu đặt g=1-g1-g2 ta được: wo = i1 – i2ag1 –i2bg2 –i2g

Công dùng để bơm thường rất nhỏ nhưng có thể tính:wp = (1-g1-g2)(i3-i2’)+(1-g1)(i3b-i2’b) + 1.(i3a –i2’a)

Nhiệt lượng cấp vào: q1=(i1-i3)i1-i’2a

Nhiệt lượng thải ra: q2= (1-g1-g2)(i2-i’2)

o 1 2a 1 2b 2 2

T1 1 3

w i i g i g i gq i i

1. Có thể nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình, áp suất đầu càng cao, số lần gia nhiệt càng nhiều thì hiệu quả càng cao, nhưng thiết bị phức tạp hơn nên thường chọn 3 đến 5 lần, hiện đại có thể đến 10 lần.

2. Giảm được kích thước của tuabin ở các tầng cánh cuối vì lượng hơi nước đi qua giảm.

3. Có thể giảm hoặc bỏ hẳn bộ hâm nước.

o 1 2a 1 2b 2 2

1 1dw i i g i g i g

Chu trình gia nhiệt nước cấp được dùng khá rộng rãi vì:

5.5. Nh5.5. Nhàà mmááy điy điệện dn dùùng chu trng chu trìình knh kếết ht hợợp Tuabin khp Tuabin khíí -- hơi hơi

5.5.1. 5.5.1. Sơ đSơ đồồ thithiếết bt bịị vvàà nguyên lý honguyên lý hoạạt đt độộngngHệ thống thiết bị bao gồm: thiết bị sinh hơi 1 (buồng đốt); tuabin hơi nước 2; bình ngưng hơi 3; bơm nước cấp 4; bộ hâm nước 5; tuốc bin khí 6; máy nén không khí 7.

5.5.2. Tính nhiệt, công và hiệu suất của chu trìnhTa tính ứng với 1 kg hơi nước. Để lượng nhiệt thải ra của tuabin khí đủ gia nhiệt nước cấp đến trạng thái 4, khi dùng 1 kg hơi nước cần dùng m kg sản phẩm cháy tính theo phương trình cân bằng nhiệt:

m(id –ia) = i4 – i3

4 3

d a

i imi i

Nhiệt lượng cấp vào là nhiệt lượng cấp cho tuabin khí theo quátrìn b-c và gia nhiệt đẳng áp cho hơi nước theo quá trình 41’1’’1:

q1 = (i1 – i4) + m(ic –ib)

Nhiệt lượng thải ra là của quá trình 22’: q2 = i2 – i2’

Nhiệt lượng do quá trình d-a thải ra cung cấp để hâm nước theo quá trình 34 nên không tính vào nhiệt lượng trao đổi với nguồn.

Công của chu trình có thể vẫn tính theo: o 1 2w q q

Nhưng để rõ thêm ý nghĩa vật lý, ta tính theo công thức của từng chu trình ứng với 1 kg hơi nước:

wo = [(i1 – i2) +m(ic – id)]-[( i4 – i3)+m(ib –ia)]

Hiệu suất nhiệt của chu trình kết hợp là:

o 1 2 c d 4 3 b at

1 1 4 c b

w (i i ) m(i i ) (i i ) m(i i )q (i i ) m(i i )

5.6. M5.6. Mááy ly lạạnh vnh vàà bơm nhi bơm nhiệệtt

]kgkJ[w]kgkJ[q

]kW[N]kW[Q

ct

22

]kgkJ[w]kgkJ[q

]kW[N]kW[Q

ct

11

* Như ở trên đã giới thiệu: để nhận được lạnh theo phương pháp nhân tạo từ xưa tới nay có rất nhiều cách. Riêng thiết bị làm lạnh có rất nhiều loại:Thiết bị lạnh dùng máy nén (hơi và khí ), thiết bị lạnh kiểu hấp thụ, máy lạnh kiểu phun (ejecto), thiết bị lạnh kiểu nhiệt điện * * Thiết bị lạnh nén hơi chiếm 90% đến 95% tổng số thiết bị lạnh.- Ứng dụng thuận lợi vào mọi trường hợp có nhu cầu vềlạnh - Tổ hợp máy nén động cơ gọn nhẹ đơn giản - Khoảng nhiệt độ và công suất lạnh gần như không giới hạn, đáp ứng mọi nhu cầu khác nhau.- Thiết bị làm việc với độ an toàn, tin cậy cao, có khả năng tự động hoá cao v.v...

* Để đánh giá hiệu quả của một chu trình ngược chiều người ta dùng hệ số làm lạnh . Chu trình ngược chiều Carnot là chu trình có hệ số làm lạnh cao nhất so với các chu trình khác có cùng nhiệt độ nguồn nóng vànguồn lạnh

- Với chu trình Carnot ta có hệ số làm lạnh:

21

2C TT

T

Trong đó:

- T1 là nhiệt độ nguồn nóng (nhiệt độ quá trình ngưng hơi - nhả nhiệt cho nên ở đây ta ký hiệu là Tk).

- T2 là nhiệt độ nguồn lạnh (trong bình bốc hơi chất môi giới nhận nhiệt của nguồn lạnh bay hơi ta ký hiệu là T0).

0k

0C TT

T

Hiệu suất execgi:

0

0k

C TTT.

Trong đó:- : hệ số làm lạnh của chu trình thực tế.- C : hệ số làm lạnh của chu trình Carnot (chu trình lý tưởng).

5.6.1. Chu trình Carnot

23 qk

s

14 qo

T

Tk

To

K

5.6.2. Chu tr5.6.2. Chu trìình lnh lààm lm lạạnh khô: nh khô:

MN

NT

BH

TL

a. Sơ đồ thiết bị:

b. Đồ thị (T - s) và (lgp - i)

T

S1 =const

T0p0

i= const

41

K

3

i

lgp

q0

5 6 7s

2'

2

1

3

4'4

K

Chu trình làm lạnh khô

2’ 2

Chu trình khô gồm các quá trình sau:1-2: Nén đoạn nhiệt (s1 = s2) xảy ra trong vùng hơi quá nhiệt.2-2': Nhả nhiệt đẳng áp nhiệt độ giảm từ t2 xuống tk (nhiệt độ ngưng tụ ở áp suất pk). 2'-3: Quá trình ngưng hơi đẳng áp, đẳng nhiệt trong bình ngưng hơi nhả nhiệt cho môi trường không khí hoặc nước làm mát.3-4: Quá trình tiết lưu môi chất lỏng i3 = i4, áp suất giảm từ pkxuống po. Quá trình tiết lưu là đoạn nhiệt không thuận nghịch nên entropi tăng s4 > s34-1: Quá trình hoá hơi đẳng áp, đẳng nhiệt nhận nhiệt của vật cần làm lạnh.

* Năng suất lạnh riêng:Nhiệt lượng 1(kg) môi chất nhận được trong buồng lạnh (ứng với quá trình hoá hơi ) được gọi là năng suất lạnh riêng của chu trình kí hiệu là qo:

qo = i1 - i4 ; (kJ/kg)

* Năng suất lạnh của thiết bị : Qo = m.qo (Kw)m: khối lượng môi chất lạnh được nén trong một đơn vị thời gian 1(giây)* Công nén đoạn nhiệt:

Công của chu trình: wo = qk - qoqk: nhiệt lượng của 1(kg) môi chất nhả cho nguồn nóng trong bình ngưng.

qk = i2 - i3

wo = qk - qo = i2 - i3 - (i1 - i4) = i2 - i1 do i3 = i4 (3-4: là quá trình tiết lưu)

Công nén đoạn nhiệt:Ns = m.wo = m(i2 – i1)

* Hệ số làm lạnh của chu trình khô:

o 1 31 4

o 2 1 2 1

q i ii iw i i i i

Vì qo < qoC và wo > woCTrên đồ thị T- s : qoC- Biểu diễn bằng dt(4'571) < qo- Biểu diễn bằng dt(4671)

Do đó: < C