Giáo trình nhiệt kỹ thuật công nghệ ô tô

BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Mơn học: Nhiệt kỹ thuật NGHỀ: CƠNG NGHỆ Ơ TƠ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ - TCDN ngày 25 tháng 02năm 2013 Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề) Hà Nội - 2012 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN: Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo nghề tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Hiện nay, với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật, đặc biệt tính tốnthiết kế, chế tạo hệ thống điều hịa khơng khí tơ giải thích q trình cháy xảy buồng đốt động cơ, người thợ sửa chữa ơtơ, ngồi việc sau trường cần nắm kiến thức chun mơn, sinh viên cần trang bị cho số kiến thức chung nhiệt động kỹ thuật Kỹ thuật nhiệt môn học đáp ứng phần u cầu Trong mơn học trang bị cho sinh viên số kiến thức nhiệt động học, giúp sinh viên hiểu chất trình nhiệt động lý thuyết thực tế, đặc biệt động đốt trong, giải thích trình chu trình làm việc động đốt trong, nguyên lý làm việc hệ thống điều hịa tơ, kiến thức kỹ quan trọng người thợ sửa chữa Nội dung giáo trình biên soạn dựa kế thừa nhiều tài liệu trường đại học cao đẳng, kết hợp với yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo cho sinh viên trường dạy nghề nước Để giúp cho sinh viêncó thể nắm kiến thức mơn Kỹ thuật nhiệt, nhóm biên soạn xếp môn học thành chương theo thứ tự: Chương Khái niệm thông số Chương Môi chất truyền nhiệt Chương Các trình nhiệt động mơi chất Chương Chu trình nhiệt động động nhiệt Kiến thức giáo trình biên soạn theo chương trình dạy nghề Tổng cục Dạy nghề phê duyệt, xếp logic đọng Sau học có tập kèm để sinh viêncó thể nâng cao tính thực hành mơn học Do đó, người đọc hiểu cách dễ dàng nội dung chương trình Mặc dù cố gắng chắn khơng tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp người đọc để lần xuất sau giáo trình hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Tham gia biên soạn 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ThS Phạm Tố Như ThS Nguyễn Đức Nam ThS Hà Thanh Sơn ThS Vũ Quang Huy ThS Phạm Ngọc Anh ThS Nguyễn Thành Trung ThS Phạm Duy Đơng ThS Đồn Văn Năm ThS Ngô Cao Vinh ThS Đinh Quang Vinh ThS Hồng Văn Thơng ThS Hồng Văn Ba ThS Nguyễn Thái Sơn CN Vũ Quang Anh ThS Nguyễn Xuân Sơn ThS Lê Ngọc Viện ThS Nguyễn Văn Thông ThS Dương Mạnh Hà CN Hồng Văn Lợi CN Trần Văn Đơ Chủ biên Đồng chủ biên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG Lời giới thiệu Mục lục Chương 1: Khái niệm thông số Chương 2: Môi chất truyền nhiệt 18 Chương Các q trình nhiệt động mơi chất 30 Chương 4: Chu trình nhiệt động động nhiết 50 Tài liệu tham khảo 70 MÔN HỌCNHIỆT KỸ THUẬT Mã số môn học: MH 14 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Mơn học bố trí giảng dạy sau môn học: MH 07, MH 08, MH 09, MH 10, MH 11, MH 12, MH13 - Tính chất: Là mơn học kỹ thuật sở - Ý nghĩa: Nhiệt kỹ thuật tên môn học Chương trình đào tạo, bao gồm kiến thức nhiệt động học (hoặc nhiệt động lực học) Sau học xong môn học người học cung cấp kiến thức nhiệt động cơnhiệt (nhiệt động học cổ điển) hệ thống trạng thái cân (nhiệt động học cân bằng) Các nguyên lý nhiệt động học áp dụng cho nhiều hệ vật lý, cần biết trao đổi lượng với môi trường mà không phụ thuộc vào chi tiết tương tác hệ Do đó, người học có khả phân tích giải thích số nguyên lý động đốt số tượng xảy tự nhiên - Vai trò: Cung cấp phần kiến thức sở, nghề công nghệ ô tô Mục tiêu môn học: + Trình bày khái niệm, thông số bản, q trình nhiệt động mơi chất + Giải thích nguyên lý hoạt động kể tên phận, chi tiết sơ đồ cấu tạo động đốt + Nhận dạng chi tiết, phận động nhiệt ô tô + Tuân thủ quy định, quy phạm nhiệt kỹ thuật + Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc, cẩn thận Nội dung tổng quát phân phối thời gian: Số TT Tên chương, mục I Khái niệm thông số Các khái niệm thông số Hệ nhiệt động thông số trạng thái Thời gian (giờ) Thực Tổng Lý Kiểm hành số thuyết tra* Bài tập 11 11 2 3 II III IV Phương trình nhiệt động Nhận dạng phân biệt thông số trạng thái Môi chất truyền nhiệt Khái niệm, phân loại khí lý tưởng khí thực Khái niệm, phân loại truyền nhiệt Khái niệm chuyển pha đơn chất Nhận dạng phân biệt chuyển pha, truyền nhiệt môi chất Các q trình nhiệt động mơi chất Các q trình nhiệt động bản: Quá trình đa biến, đoạn nhiệt, đẳng nhiệt, đẳng áp đẳng tích Các q trình nhiệt động khí thực Q trình hỗn hợp khí Chu trình nhiệt động động nhiệt Khái niệm, yêu cầu phân loại chu trình nhiệt động Sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt Tổng cộng 3 3 12 11 3 3 3 12 11 4 4 10 4 45 42 U CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ HỒN THÀNH MƠN HỌC Phương pháp kiểm tra, đánh giá thực hiện: Được đánh giá qua viết, kiểm tra, vấn đáp trắc nghiệm, tự luận trình thực học có mơn học kiến thức, kỹ thái độ Có đầy đủ kiểm tra hồ sơ học tập đạt yêu cầu Nội dung kiểm tra, đánh giá thực hiện: - Về kiến thức: + Trình bày đầy đủ khái niệm, thơng số bản, q trình nhiệt động mơi chất + Giải thích ngun lý hoạt động kể tên phận, chi tiết sơ đồ cấu tạo động đốt 1 + Hoàn thành tập nhà hồ sơ học tập đạt yêu cầu - Về kỹ năng: + Nhận dạng chi tiết, phận động nhiệt ô tô - Về thái độ: +Chấp hành nghiêm túc quy định học, nội qui làm đầy đủ tập nhà + Rèn luyện tính xác, chủ động tác phong cơng nghiệp CHƯƠNG KHÁI NIỆM VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN Mã số chương 1: MH 14 - 01 Giới thiệu Đối tượng nghiên cứu Kỹ thuật nhiệt gồm hai phần Nhiệt động kỹ thuật Truyền nhiệt Để nghiên cứu giải thích tượng nhiệt cần có khái niệm thông số đặc trưng cho môi chất Trong nội dung chương này, tìm hiểu khái niệm, thông số bản, cách nhận dạng phân biệt thông số trạng thái Các định luật phương trình nhiệt động đề cập đến Mục tiêu: - Trình bày khái niệm thơng số q trình nhiệt động - Giải thích ý nghĩa khái niệm thông số - Tuân thủ quy định, quy phạm lĩnh vực nhiệt kỹ thuật Nội dung chính: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mục tiêu: - Trình bày khái niệm thơng số trình nhiệt động Trong phạm vi chương trình mơn học Kỹ thuật nhiệt, nghiên cứu số khái niệm sau 1.1Nguồn nhiệt: vật trao đổi nhiệt với mơi chất; nguồn nhiệt có nhiệt độ cao gọi nguồn nóng, nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp gọi nguồn lạnh 1.2 Môi chất: chất mà thiết bị dùng để truyền tải chuyển hóa nhiệt với dạng lượng khác Môi chất vật chất pha nào, thường dùng pha (khí) có khả co dãn lớn Mơi chất đơn chất hỗn hợp 1.3 Trạng thái:là tập hợp thơng số xác định tính chất vật lý môi chất hay hệ thời điểm Các đại lượng vật lý gọi thông số trạng thái 1.4 Thông số trạng thái: đại lượng vật lý có giá trị trạng thái Thông số trạng thái hàm đơn trị trạng thái Nghĩa làđộ biến thiên thơng số trạng thái q trình phụ thuộc vào điểm đầu điểm cuối trình mà khơng phụ thuộc vào q trình (đường đi) đạt đến trạng thái 1.5 Máy nhiệt: hệ thống thiết bị thực chuyển hoá nhiệt cơng nói chung 1.6 Động nhiệt: loại máy nhiệt tiêu thụ nhiệt lượng để sản sinh cho tương ứng VD: ô tô, xe máy, nhà máy nhiệt điện v.v 1.7 Máy lạnh: loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng lấy để làm lạnh vật VD: tủ lạnh, điều hồ nhiệt độ v.v loại máy lạnh 1.8 Bơm nhiệt: loại máy nhiệt sử dụng nhiệt lượng toả nguồn nóng để đốt nóng sấy, sưởi vật VD: tủ lạnh “hai chiều”: mùa hè làm việc theo chế độ máy lạnh, mùa đông làm việc theo chế độ bơm nhiệt 1.9 Quá trình nhiệt động: trình biến đổi chuỗi liên tiếp trạng thái hệ có trao đổi nhiệt cơng với mơi trường 1.10 Nước sơi (nước bão hồ): nước bắt đầu q trình hóa kết thúc ngưng tụ; phần nước tồn với 1.11 Hơi bão hịa khơ: trạng thái bắt đầu ngưng tụ vừa hóa xong, mà phần hai pha nước (hoặc rắn) tồn 1.12 Hơi bão hòa ẩm: hỗn hợp bão hịa khơ nước bão hịa (nước sơi) 1.13 Nước chưa sơi: nước có nhiệt độ nhỏ nhiệt độ bão hòa áp suất nước có áp suất lớn áp suất bão hịa nhiệt độ 1.14 Hơi nhiệt: có nhiệt độ lớn nhiệt độ bão hịa áp suất có áp suất nhỏ áp suất bão hòa nhiệt độ 1.15 Công: đại lượng đặc trưng cho trao đổi lượng mơi chất với mơi trường có chuyển động vĩ mơ Khi thực q trình, có thayđổi áp suất, thay đổi thể tích dich chuyển trọng tâm khối mơi chất phần lượng nhiệt chuyển hoá thành Lượng chuyển biến cơng q trình Ký hiệu là: l tính cho kg, đơn vị đo J/kg L tính cho G kg, đơn vị đo J Qui ước: Nếu l> ta nói vật sinh cơng Nếu l < ta nói vật nhận cơng Cơng khơng thể chứa vật nào, mà xuất có q trình thay đổi trạng thái kèm theo chuyển động vật Về mặt học, cơng có trị số tích lực tác dụng với độ dời theo hướng lực Trong nhiệt kỹ thuật thường gặp loại cơng sau: cơng thay đổi thể tích; cơng lưu động (cơng thay đổi vị trí); cơng kỹ thuật (cơng thay đổi áp suất) cơng ngồi 56 tích a2p3b lớn nhất, nhiệt lượng q1 cấp vào cho chu trình cấp nhiệt đẳng tích diện tích a2v3b nhỏ Vậy theo (4-4) ta thấy hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng áp lớn nhấtvà hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng tích nhỏ nhất: ctp>ct>ctv (4-11) Giới hạn p3, T3 phụ thuộc vào sức bền chi tiết động 2.2 Chu trình tua-bin khí Ưu điểm động đốt có hiệu suất cao Tuy nhiên, động đốt có cấu tạo phức tạp phải có cấu để biến chuyển động thẳng thành chuyển động quay, nên công suất bị hạn chế Để khắc phục nhược điểm trên, 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 thông 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 130015000C) pha trộn với khơng khí trích từ máy nén, tạo thành hỗn hợp có nhiệt độ cónhiệt độ khoảng 900-11000C Sau đó, sản phẩm cháyđược 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 57 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 Chu trình tua - bin khí cấp nhiệt đẳng áp biểu diễn đồ thị p-v T-s hình 4.7 + -2 q trình nén đoan nhiệt mơi 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) - Hiệu suất chu trình: ct = Trong đó: q1 nhiệt lượng sinh trình cháy đẳng áp; q1 = q23 = Cp(T2 - T2’) q2 nhiệt lượng thải môi trường trình 41; q2 = Cp(T4 - T1) Từ ta có hiệu suất chu trình là: ct = (4-14) 58 Hình 4.7 Đồ thị p-v T-s tua- bin khí cấp nhiệt đẳng áp 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 2.3 Chu trình động phản lực Đối với động đốt trong, muốn có cơng suất lớn kích thước trọng lượng lớn, khơng thể sử dụng kỹ thuật hàng khơng Động phản lực đạt công 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 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, cịn động tên lửa oxy chứa sẵn dạng lỏng động cơ, tên lửa có tốc độ lớn bay chân khơng 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 59 Hình 4.8 Sơ đồ cấu tạo Hình 4.9 Đồ thị T-s 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, vịi 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 trình nén đoan nhiệt khơng khí ống tăng áp + 2-3 q trình nén đoan nhiệt khơng khí máy nén + 3-4 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 môi trường lượng nhiệtq2 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 khi 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 60 Chu trình động máy bay biểu diễn đồ thị p-v hình 4.11, gồm trình: 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 công kỹ thuật trình giãn nở đoạn nhiệt 3-4 (bỏ qua cơng bơm trình 1-2) 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 - nơ đạt hiệu suất nhiệt lớn phạm vi nhiệt độ Chu trình Các - nơ áp dụng cho khí thực vùng bão hòa biểu diễn hình 4.12 Tuy nhiên, khí thực nước việc thực chu trình Các -nơ khó khăn, lý sau đây: - Q trình nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành nước (q 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 công lớn - Nhiệt độ tới hạn nước thấp (374,150C) nên độchênh nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh chu trình khơng lớn lắm, cơng chu trình nhỏ - Các giọt ẩm va đập vào cánh tua- bin gây tổn thất lượng ăn mòn màimòn nhanh cánh tua- bin 61 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 khơng 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 nguyên 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 lị hơi, nước nhận nhiệt từ 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 lị 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 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 p (quá trình 2’-3) Trong thiết bị sinh hơi, nước ống sinh nhận nhiệt đẳng áp 62 đến sơi (q trình 3-4), hố (quá trình 4-5) thành nhiệt nhiệt II (quá trình 5-1) Quá trình 3-4-5-1 q trình hóa đẳng áp áp suất p1 = const Hơi khỏi nhiệt II (ở trạng thái 1) có thơng số p 1, t1 vào tuốc bin III, giãn nở đoạn nhiệt đến trạng thái (quá trình 1-2) sinh công tuốc bin Hơi khỏi tuốc bin có thơng số p 2, t2, vào bình ng-ng IV, ngưng tụ thành nước (quá trình 2-2’), lại bơm V bơm trở lị 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 nguyên 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 cịn 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 công Ra khỏi tuốc bin, vào bình ngưng nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành nước bơm bơm trở lị, lặp lại chu trình cũ 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: 63 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: q trình cấp nhiệt (cháy) đẳng áp buồng đốt 1; + c-d: q 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 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 môi 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 (NH 3) 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 cơng suất lớn, không mùi không độc hại Sơ đồ nguyên lý máy lạnh có máy nén thể hình 416 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 ngưng II ngưng tụ đẳng áp áp suất p 2, nhả lượng nhiệt q1 cho khơng 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 64 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 q1cho khơng khí hay nước làm mát + 3-4 q trình tiết lưu van tiết lưu, trình áp suất giảm từ p2xuống 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 - Hệ số làm lạnh: ct = Hình 4.17 Đồ thị T-s chu trình (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 môi chất chu trình, kg/s b Bơm nhiệt Bơm nhiệt cịn gọi máy điều hồ hai chiều Bơm nhiệt làm lạnh, hút ẩm sưởi ấm, dùng phổ biến miền Bắcnước ta Khi dùng với chức sưởi ấm, bơm nhiệt tiết kiệm điện nhiều so với dùng lò sưởi điện trở 65 Nguyên lý làm việc bơm nhiệt sau: Môi chất trạng thái bảo hồ khơ từ buồng lạnh IV máy nén hút vào nén đoạn nhiệt từ áp suất p1 đếnáp 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 4-18 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 chất 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, hoàn chỉnh chu trình ngược chiều 66 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, hồn chỉnh chu trình ngược chiều để làm mát phòng SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT Mục tiêu: - Giải thích sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt - Nhận dạng cấu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt dùng xe ô tô - Tuân thủ quy định, quy phạm lĩnh vực nhiệt kỹ thuật 3.1 Sơ đồ cấu tạo động nhiệt a Sơ đồ cấu tạo động kỳ 67 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 Cửa thổi Piston Bugi Hình 4.20 Sơ đồ cấu tạo động kỳ 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 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 68 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 12 (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” 69 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 q trình hút nhiên liệu khơng khí a-b-1 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) NỘI DUNG, YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ - Về kiến thức: + Khái niệm thông số nhiệt kỹ thuật + Khái niệm truyền nhiệt chuyển pha đơn chất + Các trình nhiệt động + Cấu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt - Về kỹ năng: + Nhận dạng chi tiết giải thích nguyên lý hoạt động động ô tô 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Hải, Trần Thế Sơm (2001), Kỹ thuật nhiệt, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Bùi Hải (2006), Giáo trình Nhiệt kỹ thuật, Nhà xuất Giáo dục Nguyễn Bốn, Hoàng Ngọc Đồng (2008), Giáo trình Kỹ thuật nhiệt, Đại học Bách khoa Đà Nẵng Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú (2009), Cơ sở kỹ thuật nhiệt, Nhà xuất Giáo dục Trần Văn Phú (2011), Giáo trình kỹ thuật nhiệt, Nhà xuất Giáo dục Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú (2006), Truyền nhiệt, Nhà xuất Giáo dục ... lực Trong nhiệt kỹ thuật thường gặp loại công sau: công thay đổi thể tích; cơng lưu động (cơng thay đổi vị trí); công kỹ thuật (công thay đổi áp suất) công 10 Trong nhiệt động kỹ thuật tồn loại... suất giảm, cơng kỹ thuật lấy giá trị dương ngược lại, áp suất tăng công kỹ thuật âm Công kỹ thuật hàm trình dlkt = -vdp (1-3) Nếu trình tiến hành từ áp suất p1 đến áp suất p2 cơng kỹ thuật tính là:... Cơng kỹ thuật q trình lkt = (3-11) Trong q trình đẳng nhiệt cơng thay đổi thể tích công kỹ thuật e Nhiệt lượng trao đổi với mơi trường Lượng nhiệt tham gia vào q trình xác định theo định luật nhiệt