(NB) Giáo Trình Nhiệt kỹ thuật cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm và các thông số cơ bản; Môi chất và sự truyền nhiệt; Các quá trình nhiệt động của môi chất; Chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt; Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 2 dưới đây.
Chương Các q trình nhiệt động mơi chất Mục tiêu: - Phát biể u đươ ̣c các khái niê ̣m, phân loa ̣i của các triǹ h nhiê ̣t ̣ng bản - Giải thích đươ ̣c q trình nhiệt ̣ng bản máy nén khí - Nhận dạng trình nhiê ̣t động máy nén khí và của môi chấ t - Tuân thủ quy định, quy phạm lĩnh vực nhiệt kỹ thuật Nội dung chính: 3.1 Cơ sở lý thuyết để khảo sát trình nhiệt động Khảo sát trình nhiệt động nghiên cứu đặc tính q trình, quan hệ thông số trạng thái thay đổi, tính tốn độ biến thiên thơng số u, i, s, công nhiệt trao đổi trinh, biểu diễn trình đồ thị p-v T-s Để khảo sát q trình nhiệt động khí lý tưởng ta dựa qui luật sau đây: - Đặc điểm trình - Phương trình trạng thái, - Phương trình định luật nhiệt động I Từ đặc điểm trình, ta xác lập phương trình trình Phương trình trạng thái cho phép xác định quan hệ thông số trạng thái q trình, cịn phương trình định luật nhiệt động I cho phép ta tính tốn cơng nhiệt lượng trao đổi khí lý tưởng với mơi trường độ biến thiên ∆u, ∆i ∆s trình Ngồi ra, q trình lưu động (sự chuyển động mơi chất) khảo sát, ngồi thông số trạng thái áp suất, nhiệt độ v.v ta cịn phải xét thơng số tốc độ, kí hiệu Khi khảo sát dịng lưu động ta giả thiết : - Dòng lưu động ổn định: nghĩa thông số môi chất khơng thay đổi theo thời gian - Dịng lưu động chiều: vận tốc dịng khơng thay đổi tiết diện ngang - Quá trình lưu động đoạn nhiệt: bỏ qua nhiệt ma sát dịng khơng trao đổi nhiệt với mơi trường 29 - Q trình lưu động liên tục: thơng số dịng thay đổi cách liên tục, không bị ngắt quãng tuân theo phương trình liên tục: G = ..f = const (3-1) Ở đây: + G lưu lượng khối lượng [kg/s]; + vận tốc dòng [m/s]; + f diện tích tiết diện ngang dịng nơi khảo sát [m2]; + khối lượng riêng mổi chất [kg/m3]; 3.2 NỘI DUNG KHẢO SÁT - Định nghĩa trình lập phương trình biểu diễn trình f(p,v) = - Dựa vào pheơng trình trạng thái pv = RT pheơng trình q trình để xác định quan hệ thơng số trạng thái bảnở trạng thái đầu cuối q trình - Tính lượng thay đổi nội ∆u, entanpi ∆i entropi ∆s trình Đối với khí lý tưởng, trường hợp nội entanpi tính theo cơng thức: ∆u = Cv(T2 -T1) (3-2) ∆i = Cp(T2 -T1) (3-3) - Tính cơng thay đổi thể tích l, nhiệt lượng q trao đổi q trình hệ số biến hố lượng: = - Biểu diễn trình đồ thị p-v, T-s nhận xét 3.3 Các trình có thơng số bất biến 3.3.1 Q trình đẳng nhiệt a Định nghĩa trình Quá trình đẳng nhiệt trình nhiệt động tiến hành điều kiện nhiệt độ không đổi T = const, dt = (3-4) b Quan hệ thông số Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng pv = RT, mà R = const T = const, suy ra: pv = RT = const (3-5) 30 hay: p1v1 = p2v2 (3-6) nghĩa trình đẳng nhiệt, thể tích thay đổi tỷ lệ nghịch với áp suất, suy ra: (3-7) c Công thay đổi thể tích q trình Vì q trình đẳng nhiệt có T = const, nên cơng thay đổi thể tích: l= (3-8) l= (3-9) l= (3-10) hay: d Công kỹ thuật trình lkt = (3-11) Trong trình đẳng nhiệt cơng thay đổi thể tích cơng kỹ thuật e Nhiệt lượng trao đổi với môi trường Lượng nhiệt tham gia vào trình xác định theo định luật nhiệt động I là: dq = du + dl = di + dlkt , mà trình đẳng nhiệt dT = nên du = di = 0, viết: dq = dl = dlkt q = l = lkt (3-12) q= (3-13) Hay: dq = Tds q = T(s2 - s1) tính: (3-14) g Biến thiên entropi q trình Độ biến thiên entrơpi q trình xác định biểu thức: ds = (3-15) mà theo phương trình trạng thái ta có: thay vào (3-15) ta được: 31 ds = R (3-16) Lấy tích phân (3-16) ta có: s = = = Rln = Rln (3-17) h Hệ số biến đổi lượng trình = =0 (3-18) k Biểu diễn đồ thị Quá trình đẳng nhiệt biểu thị đường cong hypecbơn cân 1-2 đồ thị p-v (hình 3.1a) đường thẳng năm ngang 1-2 đồ thị T-s (hình 3.1b) Trên đồ thị p-v, diện tích 12p2p1 biểu diễn cơng kỹ thuật, cịn diện tích 12v2v1 biểu diễn cơng thay đổi thể tích Trên đồ thị T-s diện tích 12s2s1 biểu diễn nhiệt lượng trao đổi trình đẳng nhiệt a b Hình 3.1 Đồ thị p -v T - s trình đẳng nhiệt 3.3.2 Quá trình đẳng áp a Định nghĩa trình Quá trình đẳng áp trình nhiệt động tiến hành điều kiện áp suất không đổi p = const, dp = (3-19) b Quan hệ thơng số Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng pv = RT, ta có: = const p = const, suy ra: 32 ; mà R = const (3-20) nghĩa trình đẳng áp, thể tích thay đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ, suy ra: hay (3-21) c Cơng thay đổi thể tích q trình Vì q trình đẳng áp có p = const, nên cơng thay đổi thể tích: l= = p(v2 - v1) = R(T2 - T1) (3-22) d Công kỹ thuật trình lkt = dp = (3-23) Trong q trình đẳng áp cơng kỹ thuật e Nhiệt lượng trao đổi với môi trường Lượng nhiệt tham gia vào trình xác định theo định luật nhiệt động I là: q = i + lkt, mà lkt = nên: q = i = Cp(T2 - T1) (3-24) g Biến thiên entropi q trình Độ biến thiên entrơpi q trình xác định biểu thức: dq = di - vdp = di (vì dp = 0), ta có: ds = Lấy tích phân ta có: s = = = Cpln Cpln (3-25) h Hệ số biến đổi lượng trình = = (3-26) k Biểu diễn đồ thị Quá trình đẳng áp biểu thị đoạn thẳng nằm ngang 1-2 đồ thị p-v (hình 3.2a) đường cong lơgarit 1-2 đồ thị T-s (hình 3.2b) Diện 33 tích 12v2v1 đồ thị p-v biểu diễn cơng thay đổi thể tích, cịn diện tích 12s 2s1 đồ thị T-s biểu diễn nhiệt lượng trao đổi trình đẳng áp Để so sánh độ dốc đường đẳng tích đường đẳng áp đô thị p-v, ta dựa vào quan hệ: dsv = dsp = , từ suy ra: Cp > Cv Từ ta thấy: đồ thị T - s, đường cong đẳng tích dốc đường cong đẳng áp a b Hình 3.2 Đồ thị p -v T - s trình đẳng áp 3.3.3 Q trình đẳng tích a Định nghĩa q trình Q trình đẳng tích q trình nhiệt động tiến hành điều kiện thể tích khơng đổi v = const, dv = (3-27) b Quan hệ thơng số Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng pv = RT, ta có: ; mà R = const v = const, suy ra: = const 34 (3-28) nghĩa trình đẳng tích, thể tích thay đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ, suy ra: hay (3-29) c Công thay đổi thể tích q trình Vì q trình đẳng tích có v = const, nghĩa dv = nên cơng thay đổi thể tích: l= =0 (3-30) d Nhiệt lượng trao đổi với môi trường Lượng nhiệt tham gia vào trình xác định theo định luật nhiệt động I là: q = l + u, mà l = nên: q = u = Cv(T2 - T1) (3-31) g Biến thiên entropi trình Độ biến thiên entrơpi q trình xác định biểu thức: ds = Lấy tích phân ta có: s = s2 - s1 = hay s = Cvln (3-32) = Cvln (3-33) h Hệ số biến đổi lượng trình = =1 (3-34) Như trình đẳng tích, nhiệt lượng tham gia vào q trình để làm thay đổi nội chất khí k Biểu diễn đồ thị Trạng thái nhiệt động mơi chất hồn tồn xác định biết hai thơng số độc lập Bởi ta chọn hai thơng số độc lập để lập đồ thị biểu diễn trạng thái mơi chất, đồ thị gọi đồ thị trạng thái Q trình đẳng tích biểu thị đoạn thẳng đứng 1-2 đồ thị pv (hình 3.3a) đường cong lơgarit đồ thị T-s (hình 3.3b) Diện tích 12p2p1 đồ thị p-v biểu diễn cơng kỹ thuật, cịn diện tích 12s2s1 đồ thị T-s biểu diễn nhiệt lượng trao đổi trình đẳng tích 35 a b Hình 3.3 Đồ thị p -v T - s q trình đẳng tích 3.3.4 Quá trình đoạn nhiệt a Định nghĩa trình Quá trình đoạn nhiệt trình nhiệt động tiến hành điều kiện không trao đổi nhiệt với môi trường q = const, dq = (3-35) b Phương trình trình Từ dạng phương trình định luật nhiệt động I ta có: dq = CpdT - vdp = dq = CvdT + pdv = suy ra: CpdT = vdp (3-36) CvdT = - pdv (3-37) Chia (3-35) cho (3-36) ta được: (3-38) hay: (3-39) Lấy tích phân vế (3-39) ta được: lnp + k.lnv = const pvk = const hay: (3-40) Đây phương trình trình đoạn nhiệt với số mũ đoạn nhiệt k c Quan hệ thông số Từ (3-40) ta có: p1 = p2 36 hay: (3-41) Từ phương trình trạng thái ta có: p = , thay vào (3-41) ta được: (3-42) Từ (3-41) (3-42) ta suy ra: (3-43) d Công thay đổi thể tích q trình Có thể tính cơng thay đổi thể tích theo định luật nhiệt động I: q = u + l = 0; suy ra: l = u = Cv(T1 - T2) (3-44) tính cơng thay đổi thể tích theo định nghĩa: dl = pdv, hay: l= Từ (3-40) ta có: p1 (3-45) = pvk, suy ra: p = , thay giá trị p vào biểu thức (3-45) ta công thay đổi thể tích: l = p1 (3-46) Từ cơng thức (3-38) ta có: k = - = (3-47) Từ suy quan hệ cơng thay đổi thể tích cơng kỹ thuật q trình đoạn nhiệt là: lkt = k.l (3-48) g Biến thiên entropi trình Độ biến thiên entropi trình đoạn nhiệt: ds = = hay s1 = s2 nghĩa q trình đoạn nhiệt entropi khơng thay đổi h Hệ số biến đổi lượng trình Vì q = nên: 37 (3-49) = = (3-50) k Biểu diễn đồ thị Quá trình đoạn nhiệt biểu thị đường cong hypecbôn 1-2 đồ thị p-v (hình 3.4a) đường thẳng đứng 1-2 đồ thị T-s (hình 3.4b) Trên đồ thị p-v, diện tích 12p2p1 biểu diễn cơng kỹ thuật, cịn diện tích 12v 2v1 biểu diễn cơng thay đổi thể tích, đường biểu diễn trình đoạn nhiệt dốc đường đẳng nhiệt lkt = k.l mà k > a b Hình 3.4 Đồ thị p -v T - s trình đoạn nhiệt 3.3.5 Quá trình đa biến a Định nghĩa trình: trình đa biến trình nhiệt động tiến hành điều kiện nhiệt dung riêng q trình khơng đổi Cn = const (3-51) Trong q trình đa biến, thơng số trạng thái thay đổi hệ trao đổi nhiệt công với môi trường b Quan hệ thông số Để xây dựng phương trình trình đa biến ta sử dụng dạng công thức định luật nhiệt động I ý nhiệt lượng trao đổi trình đa biến tính theo nhiệt dung riêng đa biế dq = CndT, ta có: dq = CpdT - vdp = CndT (a) dq = CvdT + pdv = CndT (b) (Cn - Cp)dT = - vdp (c) (Cn - Cv)dT = pdp (d) Từ suy ra: 38 người ta dùng tua- bin khí Tua- bin khí cho phép chế tạo với công suất lớn, sinh công liên tục, thiết bị gọn nhẹ nên sử dụng rộng rãi để kéo máy phát điện, sử dụng giao thơng vận tải Dựa vào q trình cháy nhiên liệu, chia thành hai loại: tua- bin khí cháy đẳng áp tuốc bin khí cháy đẳng tích a Sơ đồ nguyên lý nguyên tắc hoạt động tua-bin khí Sơ đồ thiết bị nguyên lý hoạt động tua -bin khí biểu diễn hình 4.6 Khơng khí nén đoạn nhiệt máy nén khí I, phần lớn đưa vào buồng đốt III, phần nhỏ đưa phía sau buồng đốt để hoà trộn với sản phẩm cháy nhằm làm giảm nhiệt độ sản phẩm cháy trước vào tua -bin Nhiên liệu bơm máy nén II đưa vào buồng đốt III Nhiên liệu khơng khí tạo thành hỗn hợp cháy cháy buồng đốt III Sản phẩm cháy có áp suất nhiệt độ cao ( khoảng 1300-15000C) pha trộn với khơng khí trích từ máy nén, tạo thành hỗn hợp có nhiệt độ có nhiệt độ khoảng 900-11000C Sau đó, sản phẩm cháy đưa qua ống tăng tốc IV, tốc độ tăng lên vào tua -bin, biến động thành cánh tua -bin, làm quay tuốc bin kéo máy phát quay theo Sản phẩm cháy sau khỏi tua -bin thải mơi trường Hình 4.6 Sơ đồ ngun lý tua-bin khí Q trình cháy là: - Cháy đẳng áp p = const môi chất vào khỏi buồng đốt cách liên tục, cấu tạo buồng đốt đơn giản - Cháy đẳng tích v = const Ở cháy, van buồng đót phải đóng lại để thể tích hỗn hợp khơng đổi, nhằm thực q trình cháy đẳng tích, sản phẩm cháy khỏi buồng đốt không liên tục Muốn sản phẩm cháy vào khỏi buồng đốt cách liên tục cần có nhiều buồng đốt, cấu tạo phức tạp tổn thất qua van lớn Vì vậy, thực tế người ta thường chế tạo tua- bin cháy đẳng áp b Chu trình tua- bin khí cấp nhiệt đẳng áp 60 Chu trình tua - bin khí cấp nhiệt đẳng áp biểu diễn đồ thị p-v T-s hình 4.7 + -2 trình nén đoan nhiệt môi chất buồng đốt + -3 trình cấp nhiệt đẳng áp buồng đốt + -4 trình giãn nở đoạn nhiệt ống tăng tốc (trong tua- bin) + -1 trình nhả nhiệt đẳng áp (thải sản phẩm cháy) - Tỷ số nén: = (4-12) - Hệ số giãn nở sớm trình cấp nhiệt: = (4-13) ct = (4-14 - Hiệu suất chu trình: Trong đó: q1 nhiệt lượng sinh trình cháy đẳng áp; q1 = q23 = Cp(T2 - T2’) q2 nhiệt lượng thải mơi trường q trình 41; q2 = Cp(T4 - T1) Từ ta có hiệu suất chu trình là: ct = Hình 4.7 Đồ thị p-v T-s tua- bin khí cấp nhiệt đẳng áp 61 Tương tự chu trình động đốt trong, thay giá trị vào ta được: ct = (4-15) Ta thấy hiệu suất nhiệt chu trình tuốc bin khí cấp nhiệt đẳng áp phụ thuộc vào k Khi tăng k hiệu suất nhiệt chu trình tăng ngược lại 4.2.3 Chu trình động phản lực Đối với động đốt trong, muốn có cơng suất lớn kích thước trọng lượng lớn, sử dụng kỹ thuật hàng không Động phản lực đạt cơng suất tốc độ lớn mà kích thước trọng lượng thiết bị lại nhỏ, sử dụng nhiều kỹ thuật hàng không, tên lửa vũ trụ Nguyên lý động phản lực là: nhiên liệu đốt cháy, nhiệt biến thành động dịng khí, phun qua ống phun ngồi với vận tốc lớn, tạo phản lực mạnh đẩy thiết bị chuyển động phía trước Động phản lực chia thành hai loại: động máy bay động tên lửa Động máy bay động tên lửa khác chỗ: Oxy cấp cho máy bay lấy từ khơng khí xung quanh, động tên lửa oxy chứa sẵn dạng lỏng động cơ, tên lửa có tốc độ lớn bay chân không a Động máy bay Việc tăng áp suất khơng khí động máy bay nhờ ống tăng áp, nhờ máy nén Hiện máy bay chế tạo theo kiểu tăng áp phần nhờ ống tăng áp, phần chủ yếu nhờ máy nén, ta khảo sát loại Hình 4.8 Sơ đồ cấu tạo Hình 4.9 Đồ thị T-s 62 Sơ đồ cấu tạo động máy bay có máy nén biểu diễn hình 4.8 Cấu tạo động gồm phận sau: ống tăng áp 1, máy nén 2, vòi phun nhiên liệu 3, tua- bin khí 4, ống tăng tốc buồng đốt Chu trình động máy bay biểu diễn hình 4.9, gồm trình: + 1-2 q trình nén đoan nhiệt khơng khí ống tăng áp + 2-3 trình nén đoan nhiệt khơng khí máy nén + 3-4 q trình cháy đẳng áp hỗn hợp Khơng khí-nhiên liệu buồng đốt, cấp cho chu trình lượng nhiệt q1 + 4-5 trình sản phẩm cháy giãn nở đoạn nhiệt tuốc bin khí, sinh cơng để chạy máy nén, + 5-6 trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy ống tăng tốc, + 6-1 trình thải sản phẩm cháy đẳng áp, nhả mơi trường lượng nhiệt q2 Chu trình động máy bay có máy nén cháy đẳng áp hồn tồn giống chu trình tua- bin khí cấp nhiệt đẳng áp Hiệu suất chu trình xác định theo (7-15): ct = (1-16) Ta thấy hiệu suất nhiệt ct tăng tăng ( tỷ số tăng áp trình nén 1-2 ống tăng tốc lẫn máy nén) Rõ ràng tỷ số lớn chu trình động máy bay khơng có máy nén, động có hiệu suất so với độngcơ khơng có máy nén b Động tên lửa Sơ đồ cấu tạo động tên lửa biểu diễn hình 4.10 Cấu tạo động gồm phận sau: Bình chứa nhiên liệu A, bình chứa oxy lỏng B, bơm nhiên liệu C, bơm oxy lỏng D, buồng đốt E ống tăng tốc F Chu trình động máy bay biểu diễn đồ thị p-v hình 4.11, gồm trình: 63 C D Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý Hình 4.11 Đồ thị P-v + 1-2 trình nén đoan nhiệt nhiên liệu oxy bơm (vì chất lỏng khơng chịu nén nên coi q trình đẳng tích) + 2-3 q trình cháy đẳng áp hỗn hợp Khơng khí-nhiên liệu buồng đốt, cấp cho chu trình lượng nhiệt q1 + 3-4 trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy ống tăng tốc +4-1 trình thải sản phẩm cháy đẳng áp môi trường, nhả lượng nhiệt q2 Hiệu suất chu trình xác định: ct = (4-17) Ở cơng kỹ thuật q trình giãn nở đoạn nhiệt 3-4 (bỏ qua cơng bơm q trình 1-2) 4.2.4 Chu trình nhà máy nhiệt điện a Chu trình các-nơ nước Chu trình Các - nơ thuận chiều chu trình có hiệu suất nhiệt cao Về mặt kỹ thuật, dùng khí thực phạm vi bão hịa thực chu trình Các - nô đạt hiệu suất nhiệt lớn phạm vi nhiệt độ Chu trình Các - nơ áp dụng cho khí thực vùng bão hịa biểu diễn hình 4.12 Tuy nhiên, khí thực nước việc thực chu trình Các -nơ khó khăn, lý sau đây: - Quá trình nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành nước (quá trình 2-3) thực khơng hồn tồn Muốn nén đoạn nhiệt ẩm theo qúa trình 3-4, cần phải có máy nén kích thước lớn tiêu hao cơng lớn - Nhiệt độ tới hạn nước thấp (374,150C) nên độ chênh nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh chu trình khơng lớn lắm, cơng chu trình nhỏ 64 - Các giọt ẩm va đập vào cánh tua- bin gây tổn thất lượng ăn mòn mài mòn nhanh cánh tua- bin Hình 4.12 Đồ thị T-s chu trình Các -nơ nước b Chu trình Renkin (chu trình nhà máy điện) Như phân tích trên, có hiệu suất nhiệt cao chu trình Các nơ có số nhược điểm áp dụng cho khí thực, nên thực tế người ta không áp dụng chu trình mà áp dụng chu trình cải tiến gần với chu trình gọi chu trình Renkin Chu trình Renkin chu trình thuận chiều, biến nhiệt thành cơng Hình 4.13 Sơ đồ ngun lý Hình 4.14 Đồ thị T-s Chu trình Renkin chu trình nhiệt áp dụng tất lọai nhà máy nhiệt điện, môi chất nước Tất thiết bị nhà máy nhiệt điện giống trừ thiết bị sinh I Trong thiết bị sinh hơi, nước nhận nhiệt để biến thành Đối với nhà máy nhiệt điện thiết bị sinh lò hơi, nước nhận nhiệt từ q trình đốt cháy nhiên liệu Đối với nhà máy điện mặt trời địa nhiệt, nước nhận nhiệt từ lượng mặt trời từ nhiệt lòng đất Đối với nhà máy điện nguyên tử, thiết bị sinh thiết bị trao đổi nhiệt, nước nhận nhiệt từ chất tải nhiệt lò phản ứng hạt nhân Sơ đồ thiết bị chu trình Renkin trình bày hình 4.13 Đồ thị T-s chu trình biểu diễn hình 4.14 65 Nước ngưng bình ngưng IV (ở trạng thái 2’ đồ thị) có thơng số p2, t2, i2, bơm V bơm vào thiết bị sinh I với áp suất p1 (quá trình 2’-3) Trong thiết bị sinh hơi, nước ống sinh nhận nhiệt đẳng áp đến sơi (q trình 3-4), hố (q trình 4-5) thành nhiệt nhiệt II (quá trình 5-1) Q trình 3-4-5-1 q trình hóa đẳng áp áp suất p1 = const Hơi khỏi nhiệt II (ở trạng thái 1) có thông số p1, t1 vào tuốc bin III, giãn nở đoạn nhiệt đến trạng thái (q trình 1-2) sinh cơng tuốc bin Hơi khỏi tuốc bin có thơng số p2, t2, vào bình ng-ng IV, ngưng tụ thành nước (quá trình 2-2’), lại bơm V bơm trở lò Q trình nén đoạn nhiệt bơm xem q trình nén đẳng tích nước khơng chịu nén (thể tích thay đổi) c Chu trình hỗn hợp tua- bin khí - Chu trình hỗn hợp chu trình ghép, gồm chu trình Renkin nước chu trình Tua- bin khí Sơ đồ thiết bị đồ thị T-s chu trình thể hình 4.15 Hệ thống thiết bị bao gồm: thiết bị sinh (buồng đốt); tua- bin nước 2; bình ngưng 3; bơm nước cấp 4; hâm nước 5; tua-bin khí máy nén khơng khí Hình 4.15 Sơ đồ ngun lý đồ thị T-s Nguyên lý làm việc chu trình thiết bị sau: Khơng khí nén đoạn nhiệt máy nén đến áp suất nhiệt độ cao, đưa vào buồng đốt với nhiên liệu cháy buồng đốt áp suất cao, không đổi Sau nhả phần nhiệt cho nước dàn ống buồng đốt 1, sản phẩm cháy vào tuốc bin khí 6, giãn nở sinh cơng Ra khỏi tuốc bin khí, sản phẩm cháy có nhiệt độ cao, tiếp tục qua hâm nước 5, gia nhiệt cho nước thải Nước bơm bơm qua hâm nước 5, vào dàn ống buồng đốt Ở nước nhận nhiệt biến thành nhiệt Hơi nhiệt vào tuốc bin 2, giãn nở đoạn nhiệt sinh cơng Ra khỏi tuốc bin, vào bình ngưng nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành nước bơm bơm trở lò, lặp lại chu trình cũ 66 Đồ thị T-s chu trình nhiệt biểu diễn hình 4.15 Nhiệt lượng nhiên liệu cháy tỏa trình b-e chia thành hai phần: phần dùng để sản xuất nước thiết bị sinh 1, phần cấp cho tuốc bin khí + a-b: q trình nén đoạn nhiệt khơng khí máy nén khí 7; + b-c: trình cấp nhiệt (cháy) đẳng áp buồng đốt 1; + c-d: trình giãn nở đoạn nhiệt sinh cơng tuốc bin khí 6; + d-a: q trình nhả nhiệt đẳng áp hâm nước 5; + 3-1’-1”-1: trình nước nhận nhiệt đẳng áp hâm buồng đốt 1; + 1-2; 2-2’; 2’-3 trình giãn nở đoạn nhiệt tuốc bin, ngưng đẳng áp bình ngưng, nén đoạn nhiệt bơm nh- chu trình Renkin Hiệu suất chu trình là: ct = (4-17) Trong đó: l: cơng tua-bin nước tua-bin khí, l = lh + lk q1: nhiệt lượng nhiên liệu tỏa cháy buồng đốt 4.2.5 Chu trình thiết bị làm lạnh (chạy Amoniac, Frêon) Chu trình thiết bị lạnh chạy chu trình ngược chiều, nhận nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp, nhả nhiệt cho nguồn có nhiệt độ cao Môi chất sử dụng làm thiết bị lạnh thực tế thường số chất lỏng có nhiệt độ sơi thấp áp suất bình thường, hệ số toả nhiệt lớn, rẻ tiền, không độc hại Tuỳ theo phương pháp tăng áp suất mơi chất ta chia hai loại: chu trình thiết bị lạnh có máy nén chu trình thiết bị lạnh hấp thụ (khơng có máy nén) a Chu trình thiết bị lạnh có máy nén Mơi chất thường dùng máy lạnh có máy nén Amoniac (NH3) hay Frêon F12, F22 (có cơng thức: CmHxFyClz) Amơnian thường dùng máy lạnh công nghiệp để sản xuất nước đá làm lạnh thực phẩm, nhiệt ẩn hố lớn nên chế tạo với cơng suất lớn Frêon thường dùng máy lạnh gia đình tủ kem, tủ lạnh gia đình khơng địi hỏi công suất lớn, không mùi không độc hại Sơ đồ nguyên lý máy lạnh có máy nén thể hình 4-16 Hơi mơi chất trạng thái bảo hồ khơ từ buồng lạnh IV có áp suất p1 máy nén hút vào nén đoạn nhiệt đến áp suất p2, nhiệt độ t2 Sau vào bình 67 ngưng II ngưng tụ đẳng áp áp suất p2, nhả lượng nhiệt q1 cho không khí hay nước làm mát Chất lỏng ngưng tụ từ dàn ngưng II qua van tiết lưu III, giảm áp suất từ p2 xuống p1 chuyển từ dạng lỏng sang dạng ẩm Hơi ẩm tiếp tục vào buồng lạnh IV nhận nhiệt lương q2 vật cần làm lạnh áp suất p1 = const biến thành hơibão hồ khơ chu trình lặp lại cũ Các q trình máy lạnh dùng có máy nén biểu thị đồ thị hình 4-17 + 1-2 trình nén đoạn nhiệt máy nén, trình áp suất tăng từ p1 đến p2 + 2-3 trình ngưng tụ đẳng áp áp suất p2 = const, nhả lượng nhiệt q1 cho khơng khí hay nước làm mát + 3-4 trình tiết lưu van tiết lưu, trình áp suất giảm từ p2 xuống p1 + 4-1 trình bốc dàn bốc buồng lạnh, môi chất nhiệt lượng q2 áp suất p1 = const Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý Hình 4.17 Đồ thị T-s chu trình - Hệ số làm lạnh: ct = (4-36) Vì trình tiết lưu i4 = i3, đó: Năng suất máy lạnh: Q0 = G.q2 (4-37) Công suất máy nén: N = G (4-38) Ở đây: G lưu lượng mơi chất chu trình, kg/s 68 b Bơm nhiệt Bơm nhiệt gọi máy điều hồ hai chiều Bơm nhiệt làm lạnh, hút ẩm sưởi ấm, dùng phổ biến miền Bắc nước ta Khi dùng với chức sưởi ấm, bơm nhiệt tiết kiệm điện nhiều so với dùng lò sưởi điện trở Nguyên lý làm việc bơm nhiệt sau: Mơi chất trạng thái bảo hồ khơ từ buồng lạnh IV máy nén hút vào nén đoạn nhiệt từ áp suất p1 đến áp suất p2, nhiệt độ t2 Sau vào dàn ngưng II ngưng tụ đẳng áp áp suất p2, nhả lượng nhiệt q1 biến thàng lỏng Chất lỏng từ dàn ngưng II qua van tiết ưu III, giảm áp suất từ p2 xuống p1 chuyển từ dạng lỏng sang dạng ẩm, vào dàn bay để nhận nhiệt lương q2 Nếu sử dụng lượng hữu ích từ dàn bay (dàn lạnh, bố trí phịng) máy làm việc theo chế độ làm lạnh; Nếu sử dụng lượng hữu ích từ dàn ngưng (dàn nóng, bố trí phịng) máy làm việc theo chế độ sưởi ấm (bơm nhiệt) Trong thực tế dàn bố trí cố định, cần đổi chiều chuyển động cuả dịng mơi chất nhờ van đổi chiều Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt thể hình 4-22 Chỉ cần thay đổi vai trị đóng, mở van, thiết bị làm lạnh sưởi ấm Thiết bị gồm máy nén C, hai dàn trao đổi nhiệt A B, hai dàn thay làm dàn lạnh (dàn bốc hơi) dàn nóng (dàn ngưng tụ); van tiết lưu D van đóng mở từ 1-8 để thay đổi chức làm việc máy Mơi chất Frêon Amôniac Để xét nguyên lý vận hành thiết bị, ta coi dàn A đặt phòng + Máy làm việc với chức sưởi ấm: Mở van 2, 4, 6, đóng van 1, 3, 5, 7, môi ch ất từ máy nén C theo chiều C4A6D8B2C Môi chất máy nén hút vào nén đến áp suất nhiệt độ cao, qua van vào dàn ngưng A, nhả lượng nhiệt cho khơng khí phịng Bản thân mơi chất nhiệt, ngưng tụ, qua van van tiết lưu D, biến thành bảo hoà ẩm nhiệt độ áp suất thấp, qua van vào dàn bay B để nhận nhiệt từ môi trường xung quanh, bốc hút máy nén, hồn chỉnh chu trình ngược chiều 69 Hình 4.18 Sơ đồ máy lạnh-bơm nhiệt + Máy làm việc với chức làm mát Đóng van 2, 4, 6, mở van 1, 3, 5, 7, môi chất từ máy nén C theo chiều C1B7D5A3C Môi chất máy nén hút vào nén đến áp suất nhiệt độ cao, qua van vào dàn ngưng B, nhả lượng nhiệt cho môi trường xung quanh Bản thân môi chất nhiệt, ngưng tụ, qua van van tiết lưu D, biến thành bảo hoà ẩm nhiệt độ áp suất thấp, qua van vào dàn bay A để nhận nhiệt từ khơng khí phịng, làm cho nhiệt độ phịng giảm xuống, mơi chất bốc hut máy nén, hoàn chỉnh chu trình ngược chiều để làm mát phịng 70 4.3 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt 4.3.1 Sơ đồ cấu tạo động nhiệt a Sơ đồ cấu tạo động kỳ Trục (trục khuỷu) Thanh truyền (tay biên) Píttơng Xy lanh Đường hút Xupáp hút Bugi Xupáp xả Đường xả 10 Các-te (đáy máy) 10 Hình 4.19 Sơ đồ cấu tạo động kỳ b Sơ đồ cấu tạo động kỳ Mặt máy Thân máy Cửa xả Chế hịa khí Buồng trục 6 Cửa thổi Piston Bugi Hình 4.20 Sơ đồ cấu tạo động kỳ 4.3.2 Nguyên lý hoạt động động nhiệt Do hạn chế thời gian nên sau ta nghiên cứu nguyên lý hoạt động chu trình làm việc động nhiệt kỳ xy lanh 71 Để nghiên cứu nguyên lý hoạt động động nhiệt theo quan điểm nhiệt động kỹ thuật, phần xem xét môi chất động nhiệt trước hết nhiên liệu khơng khí Nhiên liệu ơxy khơng khí thực q trình cháy, sau sản phẩm cháy thực trình nhiệt động để cuối thải sản phẩm cháy vào mơi trường Để thiết lập chu trình động nhiệt ta giả thiết: - Coi nhiên liệu, khơng khí, hỗn hợp nhiên liệu với khơng khí sản phẩm cháy đồng với đồng với chất khí lý tưởng hai nguyên tử (k = 1,4) - Coi chu trình thuận nghịch, trình giãn nở nén trình đoạn nhiệt thuận nghịch - Thay trình cháy trình cung cấp nhiệt trình thải sản phẩm cháy vào mơi trường q trình nhả nhiệt - Coi q trình nạp nhiên liệu khơng khí (hoặc ơxy) q trình thải sản phẩm cháy triệt tiêu mặt công để biến hệ hở thành hệ kín Do đó: Khi pít tơng từ điểm chết bắt đầu dịch chuyển xuống van nạp mở, van xả đóng (kỳ 1) Khi đó, hỗn hợp nhiên liệu khơng khí đưa vào xi lanh theo q trình a-b-1 Khi pít tơng quay lại từ điểm chết bắt đầu dịch chuyển lên van nạp van xả đóng nên hỗn hợp nhiên liệu khơng khí nén đoạn nhiệt thuận nghịch theo đường 1-2 (kỳ 2) Giả sử pít tơng đến điểm chết trạng thái hỗn hợp nhiên liệu khơng khí bắt đầu bốc cháy Quá trình cháy xảy đoạn đẳng tích 2-3’ (vì pít tơng chưa kịp dịch chuyển xuống dưới) đoạn đẳng áp 3’-3” (lúc pít tơng kịp dịch chuyển xuống dưới) Sản phẩm cháy trạng thái 3” có áp suất nhiệt độ cao tiếp tục giãn nở đến điểm chết theo đường đoạn nhiệt sinh công 3”-4 (kỳ 3) Khi pít tơng đến điểm chết tương ứng với trạng thái van xả mở áp suất giảm đột ngột Khi pít tơng chưa kịp dịch chuyển lên nên xem trình giảm áp đột ngột sản phẩm cháy xảy theo trình đẳng tích 4-1 Sau đó, pít tơng dịch chuyển từ điểm chết lên điểm chết trên, van nạp đóng van xả mở sản phẩm cháy bị thải vào môi trường theo đường 1-c-a (kỳ 4) Đến van xả đóng, van nạp mở pít tơng lại tiếp tục dịch chuyển từ điểm chết xuống dưới, nhiên liệu khơng khí hút vào xi lanh chu trình lại bắt đầu Quá trình cháy xảy nhanh pít tơng chưa kịp dịch chuyển Khi tồn q trình cháy xảy q trình đẳng tích 2-3’ Ngược lại, trình cháy xảy chậm pít tơng đủ thời gian để dịch chuyển tồn q trình cháy xảy điều kiện đẳng áp 2-3” 72 a b c Hình 4.21 Nguyên lý làm việc chu trình động đốt a Chu trình cấp nhiệt đẳng tích; b Chu trình cấp nhiệt đẳng áp; c Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp Với giả thiết ta thấy trình hút nhiên liệu khơng khí a-b-1 q trình thải sản phẩm cháy 1-c-a tự triệt tiêu mặt cơng Do đó, động đốt xem máy nhiệt làm việc với chu trình thuận từ trạng thái qua trạng thái 2, 3’, 3”, khép kín trạng thái Trong đó: + Q trình 1-2 q trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch (mất cơng) + Q trình 2-3’ q trình cấp nhiệt đẳng tích q1v (cháy đẳng tích) + Q trình 3’-3” q trình cấp nhiệt đẳng áp q1p (cháy đẳng áp) + Quá trình 3”-4 trình giãn nở đoạn nhiệt thuận nghịch (đây q trình sinh cơng) + Q trình 4-1 q trình thải nhiệt lượng vào mơi trường q2 (thải sản phẩm cháy) 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tổng cục dạy nghề (2012), Giáo trình Nhiệt kỹ thuật, Tổng cục dạy nghề Lê Thị Thanh Hoàng (2008), Giáo trình Nhiệt kỹ thuật, nhà xuất Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh PGS.TS Đặng Văn Hào, PGS-TS Lê Văn Doanh (2010), Giáo trình Nhiệt kỹ thuật, nhà XB Giáo dục Hoàng Ngọc Văn (1999), Giáo trình Nhiệt kỹ thuật, đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh trường Đại học sư phạm kỹ thuật Lê Thị Hồng Thắm (2009), Giáo trình Nhiệt kỹ thuật, thành phố Hồ Chí Minh 74 ... tiết diện 2- 2 , qua trình tiết lưu thông số môi chất thay đổi sau: - Áp suất giảm: p = p2 - p1 < ( 3-7 0) s = s2 - s1 > ( 3-7 1) i = i2 - i1 = ( 3-7 2) = ? ?2 - 1 = ( 3-7 3) - Entropi tăng: - Entanpi... (20 10), Giáo trình Nhiệt kỹ thuật, nhà XB Giáo dục Hoàng Ngọc Văn (1999), Giáo trình Nhiệt kỹ thuật, đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh trường Đại học sư phạm kỹ thuật Lê Thị Hồng Thắm (20 09), Giáo. .. (20 12) , Giáo trình Nhiệt kỹ thuật, Tổng cục dạy nghề Lê Thị Thanh Hồng (20 08), Giáo trình Nhiệt kỹ thuật, nhà xuất Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh PGS.TS Đặng Văn Hào, PGS-TS Lê Văn Doanh (20 10),