Giáo trình nhiệt động lực học kyc thuật - Chương 7 ppt

- - 71 CHƯƠNG 7 CHU TRÌNH THUẬN CHIỀU 7.1: ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI. 7.1.1: Đònh nghóa : Chu trình thuận chiều là chu trình có các quá trình tiến hành theo chiều kim đồng hồ, là chu trình sinh công trong các động cơ nhiệt, biến nhiệt năng thành cơ năng. đây ta chỉ đề cập đến các chu trình thuận nghòch. 7.1.2: Phân loại : Chu trình thuận chiều có thể phân loại theo các cách sau: * Dựa vào phương thức cấp nhiệt, bao gồm: - Động cơ đốt trong: Là chu trình có quá trình cháy xảy ra bên trong động cơ như: Động cơ đốt trong kiểu piston, turbine khí, động cơ phản lực, tên lửa,… - Động cơ đốt ngoài: Là chu trình có quá trình cháy xảy ra bên ngoài động cơ như: Máy hơi nước, turbine trong nhà máy nhiệt điện, điện đòa nhiệt, điện mặt trời,… * Dựa vào tính chất của chất môi giới, bao gồm: - Động cơ sử dụng chất môi giới được xem là khí lý tưởng. - Động cơ dùng chất môi giới ở dạng hơi (khí thực) như hơi nước, hơi thủy ngân, hơi Freon,… 7.2: CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG: (Kiểu Piston). Nguyên lý hoạt động của loại này đó là sản phẩm cháy được xem là chất môi giới và thực hiện các quá trình: nạp, nén, cháy nhiên liệu (cấp nhiệt), giãn nở sinh công và thải. Loại này có động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, dầu hoặc gas. Ngoài ra phụ thuộc vào hành trình làm việc của piston nên được chia ra: động cơ 2 kỳ, động cơ 4 kỳ.Mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm khác nhau, nhưng thông dụng nhất hiện nay vẫn là loại 4 kỳ, ở đây ta chỉ đề cập loại 4 kỳ mà thôi. Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 72 7.2.1: Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích. a) Chu trình thực: Hình 7.1 Đồ thò p-v của chu trình thực động cơ đốt trong kiểu piston cấp nhiệt đẳng tích. a: van nạp b: van thải c: buri tạo tia lửa điện Nguyên lý hoạt động như sau: - Quá trình 0-1: là quá trình nạp nhiên liệu và không khí vào lòng xilanh. Lúc này piston đi từ trái sang phải, van nạp a mở để không khí và nhiên liệu vào lòng xilanh. p suất bên trong nhỏ hơn áp suất khí trời, khi đến trạng thái1 thì van nạp đóng lại. - Quá trình 1-2: là quá trình nén hỗn hợp nhiên liệu và không khí. Piston đi từ phải sang trái, cả 2 van a và b đều đóng, áp suất trong xilanh tăng lên. Khi đến trạng thái 2, buri c bật tia lưả điện, toàn bộ hỗn hợp bốc cháy, áp suất và nhiệt độ tăng lên rất nhanh, và kết thúc quá trình khi piston chưa kòp dòch chuyển nên gọi là quá trình cấp nhiệt đẳng tích: 2-3. - Quá trình 3-4: là quá trình giãn nở của sản phẩm cháy để sinh công. Piston đi từ trái sang phải lần thứ hai, áp suất trong xilanh giảm dần, hai van đều đóng. - Quá trình 4-1: là quá trình nhả nhiệt (nhả sản phẩm cháy ra ngoài). Khi đến 4 thì van thải b mở ra, do áp suất bên trong lớn hơn áp suất môi trường nên hỗn hợp cháy thoát ra ngoài rất nhanh, khi piston chưa kòp dòch chuyển nên gọi 4-1 là quá trình nhả nhiệt đẳng tích. p 3 2 4 0 1 v c b a Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 73 - Quá trình 1-0: là quá trình thải hoàn toàn. Piston đi từ phải sang trái, lúc này trong lòng xilanh vẫn còn sản phẩm cháy, do van thải vẫn tiếp tục mở nên piston đẩy toàn bộ hỗn hợp cháy còn sót lại ra ngoài để trở về với trạng thái ban đầu. b/ Chu trình lý thuyết : Để tiện cho việc nghiên cứu ta dựa vào các giả thuyết sau: - Môi chất được xem là khí lý tưởng. - Các quá trình là thuận nghòch. - Quá trình cháy là quá trình cấp nhiệt. - Quá trình thải là quá trình nhả nhiệt. - Quá trình nạp và thải triệt tiêu nhau về công, hệ được coi là hệ kín. *Đồ thò : Hình 7.2: Đồ thò p-v và T-s chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích. *Các quá trình: 1-2: quá trình nén đoạn nhiệt (gồm nhiên liệu và không khí) 2-3: quá trình cấp nhiệt (q 1 ) đẳng tích (quá trình cháy) 3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt 4-1: quá trình nhả nhiệt (q 2 ) đẳng tích (quá trình thải) *Hiệu suất nhiệt :  t Ta có:  t = 1 - 1 2 q q (*) Các đại lượng đặc trưng của chu trình gồm:  2 1 v v  : tỉ số nén  2 3 p p  : tỉ số tăng áp khi cấp nhiệt. Mà: q 1 = c v (T 3 – T 2 ) q 2 = c v (T 4 – T 1 ) 3 dq=0 2 q 1 dq=0 v 1 q 2 4 p T 3 q 2 1 2 q 1 s 4 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 74 Từ (*)   t = 1 -     23 14 TTc TTc v v   Hay:  t = 1 -     23 14 TT TT   (a) Quá trình 1-2: (đoạn nhiệt) Ta có: 1 2 1 1 2           k v v T T  1 12 .   k TT  Quá trình 2-3:(đẳng tích) Ta có: 2 3 2 3 p p T T    1 123   k TTT Quá trình 3-4:(đoạn nhiệt) Ta có: 1 1 2 1 4 3 3 4                    kk v v v v T T  1 1 1 1 34 1 1 .     k k k TTT      . 14 TT   q 1 = c v .T 1 . k-1 ( - 1) (7-1)  q 2 = c v .T 1 ( - 1) (7-2) (a)   t = 1 -     1 1 1      k Vậy:  t = 1 - 1 1 k  (7-3) Nhận xét: Hiệu suất nhiệt của chu trình phụ thuộc vào tỉ số nén . Tăng  thì  t sẽ tăng lên. 7.2.2: Chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp. Hình 7.3: Đồ thò p-v và T-s chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp. q 2 q 1 q 2 q 1 p T 2 3 dq=0 1 v s 1 2 3 4 4 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 75 Các quá trình: 1-2: quá trình nén đoạn nhiệt (chỉ nén không khí) 2-3: quá trình cấp nhiệt (q 1 ) đẳng áp 3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt 4-1: quá trình nhả nhiệt (q 2 ) đẳng tích. *Hiệu suất nhiệt:  t Ngoài hai đại lượng đặc trưng trên, ở đây có thêm đại lượng đặc trưng là : 2 3 v v =  : tỉ số giãn nở sớm. Ta có:  t = 1 - 1 2 q q (*) Với: q 1 = c p (T 3 – T 2 ) q 2 = c v (T 4 – T 1 ) Từ (*)   t = 1 -     23 14 TTk TT   (b) - Quá trình 1-2: 1 2 1 1 2           k v v T T  1 12 .   k TT  - Quá trình 2-3: 2 3 2 3 v v T T    1 123   k TTT - Quá trình 3-4: 1 4 3 3 4           k v v T T mà:   1 . 1 2 2 3 1 3 4 3  v v v v v v v v  1 1 34 1 .    k k TT   1 11 14 1    k kk TT    k TT  . 14   q 1 = c p .T 1 . k-1 ( - 1) (7-4)  q 2 =c v .T 1 ( k - 1) (7-5) (b)   t = 1 -     1. 1 1      k k k (7-6) Để nâng cao  t bằng cách ta tăng  và giảm . Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 76 7.2.3: Chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp. *Các quá trình: 1-2: quá trình nén đoạn nhiệt (chỉ nén không khí) 2-5: quá trình cấp nhiệt (q 1v ) đẳng tích 5-3: quá trình cấp nhiệt (q 1p ) đẳng áp 3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt 4-1: quá trình nhả nhiệt (q 2 ) đẳng tích. Hình 7.4: Đồ thò p-v và T-s chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp. *Hiệu suất nhiệt:  t Từ (*)   t = 1 - pv qq q 11 2  (c) Với: q 1v = c v (T 5 – T 2 ) q 1p = c p (T 3 – T 5 ) q 2 = c v (T 4 – T 1 )   t = 1 -       5325 14 TTkTT TT   (d) - Quá trình 1-2: 1 2 1 1 2           k v v T T  1 12 .   k TT  - Quá trình 2-5: 2 5 2 5 p p T T    1 125   k TTT q 2 q 1p q 2 q 1v q 1p q 1v p T 5 3 dq=0 1 v s 1 3 4 4 2 5 2 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 77 - Quá trình 5-3: 5 3 5 3 v v T T    1 153   k TTT - Quá trình 3-4: 1 4 3 3 4           k v v T T mà:   1 . 1 2 2 3 1 3 4 3  v v v v v v v v  1 34 .         k TT   1 1 14          k k TT     k TT  14   q 1v = c v .T 1 . k-1 ( - 1) (7-7) q 1p = c p .T 1 . k-1 .( - 1) (7-8)  q 2 = c v .T 1 (. k - 1) (7-9) Từ (d):   t = 1 -         1.1 1. 1      k k k (7-10) Để nâng cao hiệu suất nhiệt  t của chu trình bằng cách ta tăng  và  đồng thời giảm . 7.2.4: So sánh hiệu suất nhiệt. a/ Khi 3 chu trình này có cùng  và q 2 : Hình 7.4 : Đồ thò T-s của 3 chu trình khi có cùng  và q 2 s a 3 v 3 h 3 p q 2 q 1v q 1p s b T s 1 2 5 4 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 78 Ta có:  t = 1 - 1 2 q q (*) Dựa vào T-s ta có: q 1v = dt(s a , 2, 3 v , s b , s a ) q 1h = dt(s a , 2, 5, 3 h , s b , s a ) q 1p = dt(s a , 2, 3 p , s b , s a )  q 1v > q 1h > q 1p Thay vào (*) ta có:  tv >  th >  tp (7-11) Vậy hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng tích là lớn nhất và đẳng áp là nhỏ nhất. b/ Khi 3 chu trình có cùng q 2 và T max (quá trình giãn nở): Hình 7.5: Đồ thò T-s của 3 chu trình có cùng q 2 và T max Ta có:  t = 1 - 1 2 q q (*) Dựa vào Hình 7.5 ta có: q 1p = dt(1, 2 p , 3, 4,1 ) q 1h = dt(1, 2 h , 5, 3, 4, 1 ) q 1v = dt(1, 2 v , 3, 4, 1 )  q 1p > q 1h > q 1v Thay vào (*) ta có:  tp >  th >  tv (7-12) Vậy hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng áp là lớn nhất và đẳng tích là nhỏ nhất. 2 p 2 h 2 v q 2 q 1v q 1p T s 1 3 4 5 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 79 7.3: CHU TRÌNH TURBINE KHÍ. Bên cạnh những ưu điểm của 3 loại động cơ đốt trong ở trên như: có thể nâng cao hiệu suất nhiệt và làm việc ở nhiệt độ cao, nhưng nó có các hạn chế như công sinh ra không liên tục, điều kiện làm việc của piston ở vận tốc lớn sẽ ảnh hưởng đến sức bền động cơ,… Để khắc phục các nhược điểm này người ta sử dụng động cơ turbine khí. Ưu điểm của turbine khí: - Thiết bò gọn nhẹ, công suất lớn. - Chuyển động quay nên khi làm việc ở vận tốc lớn không ảnh hưởng đến sức bền động cơ. - Vận hành đơn giản,… Turbine được ứng dụng trong máy phát điện, máy bay,… Phụ thuộc vào quá trình cấp nhiệt, turbine được chia làm hai loại: Chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng tích và chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng áp. 7.3.1: Chu trình lý thuyết turbine khí cấp nhiệt đẳng áp. a/ Sơ đồ và đồ thò: Hình 7.6 Sơ đồ turbine khí cấp nhiệt đẳng áp 1. Bơm nhiên liệu 2. Máy nén 3. Vòi phun 4. Buồng đốt 5. Ống tăng tốc 6. Turbine giãn nở 7. Máy phát điện 1 2 6 7 5 3 4 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM - - 80 Khi bơm nhiên liệu 1 và máy nén 2 hoạt động, thông qua các vòi phun 3 không khí và nhiên liệu có áp và nhiệt độ cao sẽ hòa trộn và tự bốc cháy trong buồng đốt 4. Hỗn hợp khí cháy được đưa vào ống tăng tốc 5 trước khi thổi vào cánh động của turbine 6 để sinh công cho máy phát điện 7. Hình 7.7: Đồ thò p-v và T-s chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng áp. *Các quá trình: 1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt, do máy nén 2 thực hiện 2-3: Quá trình cháy đẳng áp ở buồng đốt 4 2-4: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong turbine 6 4-1: Quá trình nhả nhiệt đẳng áp ra môi trường. *Hiệu suất nhiệt: Ta có:  t = 1 - 1 2 q q (*) Với: q 1 = c p (T 3 – T 2 ) q 2 = c p (T 4 – T 1 ) Từ (*)   t = 1 -     23 14 TT TT   (a) Ngoài các đại lượng đặc trưng đã có trong chu trình động cơ đốt trong ở trên, ở đây ta đặt: 1 2 p p =: tỉ số tăng áp khí nén. - Quá trình 1-2: 1 2 1 1 1 2 1 2                     k k k v v p p T T (b)    1 1 1 12 .    k k k TTT  - Quá trình 2-3: 2 3 2 3 v v T T  =      1 123 k k TTT   q 2 q 1 q 1 q 2 p T 2 3 dq=0 v s 1 2 3 4 1 4 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM [...]... quá trình 4-4 ’ và 2-2 ’ được xem là hồ i nhiệt hoàn toà n, và ta có T4 = T2’ và T2 = T4’ Cá c quá trình: 1-2 : Quá trình nén đoạn nhiệt 2-2 ’: Quá trình cấp nhiệt đẳ ng áp nhờ bộ hồi nhiệt 2 -3 : Quá trình cấp nhiệt đẳ ng áp trong buồng đốt 3-4 : Quá trình giãn nở đoạn nhiệt 4-4 ’: Quá trình chuyển nhiệt từ khí thải vào khí nén 4 -1 : Quá trình nhả nhiệt đẳng áp ra môi trường Hiệu suất nhiệt: Ta có: t = 1 -. .. B Hình 7. 14: Đồ thò p.v và T-s động cơ phản lực trực lưu Cá c quá trình: 1-2 : Quá trình né n đoạ n nhiệt 2-3 : Quá trình cấp nhiệt đẳng áp 3-4 : Quá trình giãn nở đoạn nhiệt ở ống tăng tốc 4-1 : Quá trình nhả nhiệt đẳng á p *Hiệu suất nhiệt: Do đồ thò của chu trình giống với đồ thò chu trình turbine cấp nhiệt đẳ ng áp nên hiệu suất nhiệt chứng minh tương tự ta cũng có: 1 t  1   k 1 k ( 7- 1 5) Đối... http://www.hcmute.edu.vn - 86 3-4 : Quá trình giãn nở đoạn nhiệt 4-4 ’: Quá trình chuyển nhiệt từ khí thải vào khí nén.(ở bộ hồ i nhiệt) 4 -1 : Quá trình nhả nhiệt đẳng áp ra môi trường Hiệu suất nhiệt khi có hồi nhiệt: tc Chứng minh tương tự như turbine cấp nhiệt đẳng áp, hiệu suấ t nhiệt khi có hồ i nhiệt lớn hơn khi không có hồi nhiệt: ct > t 7. 4 : CHU TRÌNH LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC Khi sử dụ ng động cơ đốt... dq=0 4' 1 4' 4 1 v s Hình 7. 12: Đồ thò p-v và T-s chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng tích có hồi nhiệt Ở đây 2 quá trình 4-4 ’ và 2-2 ’ cũng được xem là hồi nhiệt hoà n toàn và ta có: T4’ = T2 ; T2’ = T4 Cá c quá trình: 1-2 : Quá trình nén đoạn nhiệt 2-2 ’: Quá trình cấp nhiệt đẳ ng áp ở bộ hồ i nhiệt 2 -3 : Quá trình cấp nhiệt đẳ ng tích ở buồng đốt Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn... x=1 s Hình 7. 21: Đồ thò p-v và T-s chu trình Rankine Cá c quá trình gồm: 1-2 : quá trình giãn nở đoạn nhiệt sinh cô ng trong turbine 2-2 ’: quá trình ngưng hơi đẳ ng á p nhả nhiệt cho nguồn lạ nh (ở bình ngưng) 2 -3 : quá trình nén nước đoạn nhiệt do bơm nước cấp Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn - 94 3-4 -5 : quá trình cấ p nhiệt đẳng... đưa động cơ về phía trướ c p a b c q1 2 3 3' 2' 1 q2 4 v Hình 7. 16 : Đồ thò p-v động cơ phản lực turbine máy nén Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn - 89 *Các quá trình: 1-2 ’: quá trình nén đoạn nhiệt ở ống tăng áp 1 2 -2 : quá trình nén đoạn nhiệt tiếp theo ở máy nén 2 2-3 : quá trình cấp nhiệt đẳ ng áp trong buồng đốt 3-3 ’: quá trình. ..  ( 7- 1 8) 7. 5: CHU TRÌNH THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC HƠI NƯỚC 7. 5.1: Chu trình carnot của khí thực ( hơi nước) Từ đònh luật nhiệt động thứ hai ta biết trong phạm vi nhiệt độ giữa hai nguồn nóng và lạnh như nhau, thì chu trình carnot có hiệu suất nhiệt là lớn nhất Đối với chất khí và hơi quá nhiệt ta khó thực hiện được chu trình carnot vì khó lòng thực hiện hai quá trình cấp nhiệt đẳ ng nhiệt và thải đẳng nhiệt, ... i 7 Máy phát điện 4 Buồng đố t a Hệ thống đánh lử a 3 p T 3 q1 2 dq = 0 dq = 0 q1 2 4 1 q 4 2 1 q2 v Hình 7. 11: Đồ thò p-v và T-s turbine khí cấp nhiệt đẳng tích Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn s Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn - 84 * Các quá trình: 1-2 : Quá trình nén đoạn nhiệt 2-3 : Quá trình cấp nhiệt đẳ ng tích 3-4 : Quá trình giãn nở đoạn nhiệt 4-1 : Quá trình. .. 2a' g e CM P H Hình 7- 2 7: Sơ đồ chu trình hồi nhiệt có haiacửa trích hơi u tT a: Lò hơi b: Bộ quá nhiệt H Su ng D ruo K pham y th n©T c: Turbine n quye a B d: Bình ngưng e: Bơm nước cấ p f: Bộ gia nhiệt g: Bơm nước ngưng i 1 T 4 3'' 2b' i1 2a 3''' 2a' g1 2b g2 1- g1 - g2 1 p' i’ 2a p'' i’’ 1-g1 2b p2 3' 3 p1 t1 1kg 5 i2 2 s 2 s t2 s Hình 7- 2 8: Đồ thò T-s và i-s của chu trình hồi nhiệt có 2 cửa trích... *Các quá trình: g ruon n©T quye an B 1 - 2: quá trình nén oxy lỏng 2 - 3: quá trình chá y đẳng á p trong buồng đốt 3 - 4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong ống tăng tố c 4 - 1: quá trình nhả nhiệt ra môi trường *Hiệu suất nhiệt: Ta có: t  l q1 (e) Đối với quá trình né n 1 – 2, vì là né n chất lỏng nên ta coi : v2  v1 Vậy cô ng nén:  ln = i2 – i1 Hay: ln = - (q = i + lkt = 0 : xem là đoạ n nhiệt) . c v .T 1 . k-1 ( - 1) ( 7- 7 ) q 1p = c p .T 1 . k-1 .( - 1) ( 7- 8 )  q 2 = c v .T 1 (. k - 1) ( 7- 9 ) Từ (d):   t = 1 -         1.1 1. 1      k k k ( 7- 1 0) Để. Hình 7. 14: Đồ thò p.v và T-s động cơ phản lực trực lưu Các quá trình: 1-2 : Quá trình nén đoạn nhiệt. 2-3 : Quá trình cấp nhiệt đẳng áp. 3-4 : Quá trình giãn nở đoạn nhiệt ở ống. c v .T 1 . k-1 ( - 1) ( 7- 1 )  q 2 = c v .T 1 ( - 1) ( 7- 2 ) (a)   t = 1 -     1 1 1      k Vậy:  t = 1 - 1 1 k  ( 7- 3 ) Nhận xét: Hiệu suất nhiệt của chu trình phụ