Chu trình nhiệt động của một số thiết bị nhiệt

- 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:

CHƯƠNG 5

CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ NHIỆT 5.1 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG 5.1.1 Chu trình động cơ đốt 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 đẳng tích, động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp, cấp nhiệt hỗn hợp

5.1.2 Phân loại

Các giả thiết

 Xét cho 1 kg môi chất là khí lý tưởng

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

 Quá trình cháy của nhiên liệu thành quá trình cấp nhiệt

 Quá trình thải sản phẩm cháy của nhiên liệu thành quá trình thải nhiệt đẳng tích

Các đại lượng đặc trưng

  = Áp suất cuối /suất đầu qt cấp nhiệt

 Hệ số giãn nở sớm: 3

2

v v

  = Thể tích cuối /suất đầu qt

cấp nhiệt

5.1.3 Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích ( Chu trình Otto)

1-2: Nén đoạn nhiệt

2-3: Cấp nhiệt đẳng tích

3-4: Giãn nở đoạn nhiệt 4-1:Thải nhiệt đẳng tích

2 t

1

q 1

q

   q1 = q23 = Cv(T3 – T2)

q2 = q41= Cv(T1 – T4)

v 4 1 t

v 3 2

C (T - T )

η =

1-C (T - T )

5.1.4 Động cơ cấp nhiệt đẳng áp (Chu trình Diesel)

1-2: Nén đoạn nhiệt 2-3: Cấp nhiệt đẳng áp

3-4: Giãn nở đoạn nhiệt 4-1:Thải nhiệt đẳng tích

2 t

1

q1

q

   q1 = q23 = Cp(T3 – T2)

q2 = q41= Cv(T1 – T4)

4 1 t

3 2

(T - T )

η = 1

-k (T - T )

5.1.5 Động cơ cấp nhiệt hỗn hợp ( Dual Cycle)

1 4

p

3 2

2 ’

T

1 2

3

4

2 ’

2 t

1

q 1

v 4 1 t

(T -T )

η =

1-(T - T ) +k1-(T -T )

• Xác định hiệu suất nhiệt theo T1 và , , 

3 3

3 2' 1 2' 2'

5.1.6 So sánh hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ đốt

trong (η ctp , η ct , η ctv )

a Khi có cùng tỉ số nén ε và nhiệt lượng q 1 cấp vào cho chu trình

ηctv > ηct > ηctp

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

ηctp > ηct > ηctv

5.1.7 Chu trình tuabin khí

Tuabin khí có nhiều ưu điểm:

- Thiết bị gọn nhẹ, công suất lớn

- Không có cơ cấu biến chuyển động thẳng thành chuyển động quay

- Số vòng quay đạt được lớn, momen quay đều và liên tục

- Điều khiển đơn giản

Nhưng việc sử dụng bị hạn chế là do chưa có được những vật liệu làm việc liên tục ở nhiệt độ cao Khó khăn trong việc chế tạo được máy nén có công suất lớn, chỉ làm việc được với nhiên liệu lỏng hoặc khí

Sơ đồ nguyên lý hoạt động :

5.1.8 Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp 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 = 0

4-1: 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

p p

 

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

2

V V

 

Các quá trình:

 Hiệu suất chu trình thực

  

5.2.2 Chu trình Rankine

 Các biện pháp nâng cao hiệu suất của chu trình

I

T 1

T

* Giảm nhiệt độ tại bình ngưng ( nguồn lạnh TII )

* Nâng cao nhiệt độ hơi quá nhiệt vào tuabin (nguồn nóng TI )

* Nâng cao áp suất lò hơi (Tăng nhiệt độ trung bình trong quá trình cấp nhiệt Ttb)

 Ví dụ về ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ lò hơi

đến hiệu suất nhiệt

Một nhà máy điện vận hành theo chu trình Rankine lý tưởng Hơi vào tuabin có áp suất 3MPa, nhiệt độ 350oC và ngưng tụ ở áp suất 10kPa Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình? Hiệu suất nhiệt khi thay nhiệt độ hoei vào tuabin bằng 600oC? Hiệu suất khi tăng áp suất lò hơi lên 15MPa và duy trì nhiệt độ ở

600oC?

- Khi áp suất vào tuabin bằng 3MPa và nhiệt độ 350oC

- Khi áp suất vào tuabin bằng 3MPa và nhiệt độ 600oC

- Khi áp suất vào tuabin bằng 15MPa và nhiệt độ 600oC

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=( i3-i4) + (i5-i6) – (i2-i1) ( i3-i4) + (i5-i6) vì coi i1=i2

Nhiệt lượng cấp vào:

q1=(i3-i2)+(i5-i4)

Nhiệt lượng thải ra:

q2=i6-i1Hiệu suất của chu trình:



(Kg hơi/Jun)

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:

g(i7-i3) = (1-g)(i9 –i2)

g.i4+ (1-g)i9=i5

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 tuabin:

wT=1( i6-i7) + (1-g)(i7-i8)

Công dùng để bơm thường rất nhỏ nhưng có thể tính:

wp = (1-g)(i2-i1)+g(i4-i3)

Nhiệt lượng cấp vào: q1=(i6-i5)

Nhiệt lượng thải ra: q2= (1-g)(i8-i1)

o T

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 d

w



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

(Kg hơi/Jun)

5.5 Nhà máy điện dùng chu trình kết hợp Tuabin khí - hơi

5.5.1 Sơ đồ thiết bị và nguyên lý hoạt động

Hệ 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 trình

Ta 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:

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:

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)]-[( i3 – i2’)+m(ib –ia)]

Hiệu suất nhiệt của chu trình kết hợp là:

5.6 Máy lạnh và bơm nhiệt

5.6.1 Chu trình máy lạnh dùng không khí

5.6.2 Chu trình Carnot

5.6.3 Chu trình làm lạnh khô

Đồ thị p - h hoặc p-i

5.6.4 Chu trình có quá lạnh - quá nhiệt

Sơ đồ nguyên lý của chu trình quá lạnh - quá nhiệt

Qo

Qk

BH TL

3

1- 1' độ quá nhiệt hơi hút

3 - 3' độ quá lạnh lỏng trước khi vào van tiết lưu

Độ quá nhiệt hơi hút :

tqn = t1 - t1' = t1 - to

Độ quá lạnh lỏng:

tql = t3' - t3 = tk- t3

+ Quá trình 1-2: nén đoạn nhiệt môi chất lạnh (môi chất ở trạng thái hơi quá nhiệt ).

trường trong bình ngưng (2-2’: làm lạnh hơi quá nhiệt, 2’-3’: ngưng hơi, 3’-3: quá trình quá lạnh môi chất lỏng).

không đổi).

hơi(4-1’) sau đó quá nhiệt môi chất (1’-1).

b/ Tính toán chu trình

Thông thường chu trình máy lạnh nén hơi được xác định bởi 4 nhiệt độ:

- Nhiệt độ sôi to của môi chất trong bình bốc hơi;

- Nhiệt độ ngưng tụ tk của môi chất trong bình ngưng;

- Nhiệt độ quá lạnh của môi chất lỏng trước van tiết lưu

tql

- Nhiệt độ quá nhiệt của hơi được hút vào máy nén tqn

Ví dụ: Cho chu trình làm lạnh nén hơi một cấp môi chất

là freon R12 nhiệt độ to = -20oC, tk = 35oC, tql = 30oC, tqn

=-5oC Biểu diễn chu trình trên đồ thị T-s và lgp-i Xác định các thông số của môi chất lạnh tại các điểm nút của chu trình Xác định nhiệt lượng qo, qk, wo, hệ số làm lạnh?.

s

12

Trị số các thông số tại các điểm nút của chu trình được biểu diễn trong bảng dưới đây

-20 -5 60 35 35 30 -20

0,10799 0,11647 0,02339 0,02036 0,00095 0,00077 0,03265

343 352 385 365 235 228 228

1,567 1,601 1,601 1,543 1,116 1,097 1,114

- Năng suất lạnh riêng: