65 Khi đợc hút vào cấp I ở áp suất p 1 , đợc nén trong xilanh I đến áp suất p 2 , nhiệt độ của khí tăng từ T 1 đến T 2 . Khi ra khỏi cấp I đợc làm mát trong bình làm mát trung gian B, nhiệt độ khí giảm từ T 2 xuống đến T 1 (bằng nhiệt độ khi vào xilanh cấp I). sau khi đợc làm mát ở bình làm mát B, khí đợc hút vào xilanh II và đợc nén từ áp suất p 3 = p 2 đến áp suất p 4 . Các quá trình của máy nén hai cấp đợc thẻ hiện trên hình 6.8, bao gồm: a-1 là quá trình hút khí vào xilanh I (cấp 1) ở áp suất p 1 , 1-2- quá trình nén khí trong xilanh I từ áp suất p 1 đến p 2 , 2-3 quá trình đẩy khí vào bình làm mát trung gian B, nhiệt độ khí giảm từ T 2 xuống đến T 1 , 3-3- quá trình hút khí từ bình làm mát vào xilanh II (cấp 2), 3-4 là quá trình nén khí trong xi lanh II từ áp suất p 2 đến p 1 , 4-b là quá trình đẩy khí vào bình chứa, Vì đợc làm mát trung gian nên thể tích khí vào cấp 2 giảm đi một lợng V = V 2 V 3 , do đó công tiêu hao giảm đi một lợng bằng diện tích 2344 so với khi nén trong máy nén một cấp có cùng áp suất đầu p 1 và áp suất cuối p 4 . Nếu máy nén rất nhiều cấp và có làm mát trung gian sau mỗi cấp thì quá trình nén sẽ tiến dần tới quá trình nén đẳng nhiệt. 6.3.3.2. Chọn áp suất trung gian Tỉ số nén trong mỗi cấp đợc chọn sao cho công tiêu hao của máy nén là nhỏ nhất, nghĩa là quá trình nén tiến tới quá trình đẳng nhiệt. Nhiệt độ khí vào các cấp đều bằng nhau và bằng T 1 , nhiệt độ khí ra khỏi các cấp đều bằng nhau và bằng T 2 , nghiã là: T 1 = T 2 và T 2 = T 4 áp suất khí ra khỏi cấp nén trớc bằng áp suất khí vào cấp nén sau, nghĩa là: p 2 = p 3 và p 4 = p 5 , Trong trờng hợp tổng quát, ta coi quá trình nén là đa biến và số mũ đa biến ở các cấp đều nh nhau, ta có: 66 ở cấp I: 1n n 1 2 1 2 T T p p = (6-29) ở cấp II: 1n n 3 4 3 4 T T p p = (6-30) mà: T 1 = T 2 và T 2 = T 4 , do đó ta suy ra tỷ số nén của mỗi cấp là: 3 4 1 2 p p p p == , (6-31) hay: 1 4 3 4 1 2 2 p p p p p p == , (6-32) Tổng quát, nếu máy nén có m cấp thì: m d c p p = (6-33) 6.3.3.3. Công tiêu hao của máy nén Công của máy nén nhiều cấp bằng tổng công của các cấp. Với hai cấp ta có: l mn = l 1 + l 2 trong đó: = 1 p p RT 1n n l n 1n 1 2 11 (6-35) = 1 p p RT 1n n l n 1n 3 4 32 (6-36) mà: T 1 = T 3 và 3 4 1 2 p p p p == , nên l 1 = l 2 và l mn = 2l 1 = 2l 2 . Tơng tự, nếu máy nén có m cấp thì công tiêu tốn của nó sẽ là: () == 1RT 1n n.m mll n 1n 11mn (6-37) 6.4. Các quá trình của không khí ẩm 6.4.1. Không khí ẩm 67 6.4.1.1. Định nghĩa và tính chất của không khí ẩm Không khí ẩm (khí quyển) là một hỗn hợp gồm không khí khô và hơi nớc. Không khí khô là hỗn hợp các khí có thành phần thể tích: Nitơ khoảng 78%; Oxy: 20,93%; Carbonnic và các khí trơ khác chiếm khoảng 1%. Hơi nớc trong không khí ẩm có phân áp suất rất nhỏ (khoảng 15 đến 20 mmHg), do đó ở nhiệt độ bình thờng thì hơi nớc trong khí quyển là hơi quá nhiệt, ta coi nó là khí lý tởng. Nh vậy, có thể coi không khí ẩm là một hỗn hợp khí lý tởng, có thể sử dụng các công thức của hỗn hợp khí lý tởng để tính toán không khí ẩm, nghĩa là: Nhiệt độ không khí ẩm : T = T kk = T h , (6-38) áp suất không khí ẩm: p = p kk = p h , (6-39) Thể tích V: V = V kk + V h , ` (6-40) Khối lợng G: G = G kk + G h , ` (6-41) 6.4.1.2. Phân loại không khí ẩm Tuỳ theo lợng hơi nớc chứa trong không khí ẩm, ta chia chúng ra thành 3 loại: * không khí ẩm bão hoà: Không khí ẩm bão hòa là không khí ẩm mà trong đó lợng hơi nớc đạt tới giá trị lớn nhất G = G max . Hơi nớc ở đây là hơi bão hòa khô, đợc biễu diễn bằng điểm A trên đồ thị T-s hình 6.9. * Không khí ẩm cha bão hòa: Không khí ẩm cha bão hòa là không khí ẩm mà trong đó lợng hơi nớc cha đạt tới giá trị lớn nhất G < G max , nghĩa là còn có thể nhận thêm một lợng hơi nớc nữa mới trở thành không khí ẩm bão hòa. Hơi nớc ở đây là hơi quá nhiệt, đợc biểu diễn bằng điểm B trên đồ thị T-s hình 6.9 * Không khí ẩm quá bảo hòa: Không khí ẩm quá bão hòa là không khí ẩm mà trong đó ngoài lợng hơi nớc lớn nhất G max , còn có thêm một lợng nớc ngng nữa chứa trong nó. Hơi nớc ở đây là hơi bão hòa ẩm. 68 Nếu cho thêm một lợng hơi nớc nữa vào không khí ẩm bão hòa thì sẽ có một lợng chừng đó hơi nớc ngng tụ lại thành nớc, khi đó không khí ẩm bão hòa trở thành không khí quá bão hòa. Ví dụ sơng mù là không khí ẩm quá bão hòa vì trong đó có các giọt nớc ngng tụ. Từ đồ thị hình 6.9 ta thấy, có thể biến không khí ẩm cha bão hòa thành không khí ẩm bão hòa bằng hai cách: + Giữ nguyên nhiệt độ không khí ẩm t h = const, tăng phân áp suất của hơi nớc từ p h đến p hmax (quá trình BA 1 ). áp suất p hmax là áp suất lớn nhất hay còn gọi là áp suất bão hòa. Nghĩa là tăng lợng nớc trong không khí ẩm cha bão hòa để nó trở thành không khí ẩm bão hòa. + Giữ nguyên áp suất hơi p h = const, giảm nhiệt độ không khí ẩm từ t h đến nhiệt độ đọng sơng t s (quá trình BA 2 ). Nhiệt độ đọng sơng t s là nhiệt độ tại đó hơi ngng tụ lại thành nớc. 6.4.1.3. các đại lợng đặc trng cho không khí ẩm * Độ ẩm tuyệt đối: Độ ẩm tuyệt đối là khối lợng hơi nớc chứa trong 1m 3 không khí ẩm. Đây cũng chính là khối lợng riêng của hơi nớc trong không khí ẩm. V G h h = , kg/m 3 ; (6-42) * Độ ẩm tơng đối: Độ ẩm tơng đối là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối của không khí cha bão hòa h và độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm bão hòa hmax ở cùng nhiệt độ. maxhh / = (6-43) Từ phơng trình trạng thái của không khí ẩm cha bão hòa: p h V = G h R h T và bão hòa: p hmax V = G hmax R h T, suy ra: TR p V G h hh h == (a) và TR p V G h maxhmaxh maxh == (b) Chia (a) cho (b) ta đợc: max h max h p p = = (6-44) vì 0 p h p hmax nên 0 100%. Không khí khô có = 0, không khí ẩm bão hòa có = 100%. Độ ẩm thích hợp nhất cho sức khỏe động vật là = (40 ữ 75)%, cho bảo quản lạnh thực phẩm là 90%. * Độ chứa hơi d: Độ chứa hơi d là lợng hơi chứa trong 1kg không khí khô hoặc trong (1+d) kg không khí ẩm. d=G h /G k ; [kgh/kgK] (6-45) 69 Từ phơng trình trạng thái khí lí tởng viết cho hơi nớc và không khí khô ta có: TR Vp G h h h = và TR Vp G k k k = ; thay thế các giá trị G vào (6-45) ta đợc: [] kgK/kgh; pp p 622,0 p.8314.29 p.18.8314 Rp Rp d h h k h hk kh === (6-46) * Entanpi của không khí ẩm Entanpi của không khí ẩm bằng tổng entanpi của không khí khô và entanpi của hơi nớc chứa trong đó. Trong kĩ thuật thờng tính entanpi của 1kg không khí khô và d kg hơi nớc chứa trong (1+d)kg không khí ẩm, kí hiệu là i: i = i k + d.i h ; [kJ/kgK] (6-47) trong đó: i k - en tanpi của 1kg không khí khô, i k = C pk t, mà C pk = 1kJ/kgK vậy i k = t; i h - entanpi của hơi nớc, nếu không khí ẩm cha bão hoà thì hơi nớc là hơi quá nhiệt có i h = 2500 + C ph t = 2500 + 1,9t; Cuối cùng ta có: I = t + d(2500 = 1,93t); (kJ/kgK). 6.4.1.4. Đồ thị i-d Để giải các bài toán về không khí ẩm, ngoài việc tính toán theo các công thức, chúng ta có thể giải bằng đồ thị i-d. Đồ thị i-d đợc biểu diễn trên hình 6.10, có trục là entanpi của không khí ẩm [kJ/kgK], trục hoành là độ chứa hơi d [g/kgK]. Trục i và d không vuông góc với nhau mà tạo với nhau một góc 135 0 , đồ thị gồm các đờng sau: Đờng i = const là đờng thẳng nghiêng đi xuống với góc nghiêng 135 0 ; Đờng d = const là đờng thẳng đứng; Đờng t = const trong vùng không khí ẩm cha bão hòa là các đờng thẳng nghiêng đi lên. Đờng = const trong vùng không khí ẩm cha bão hòa ở nhiệt độ t < t s (p) là các đờng cong lồi, trong vùng nhiệt độ t > t s (p) là đờng thẳng đi lên. Đờng = 100% chia đồ thị thành hai vùng phía trên là không khí ẩm cha bão hòa, vùng phía dới là không khí ẩm quá bão hòa. 70 Đờng phân áp suất hơi nớc p h = const là đờng thẳng nghiêng đi lên đợc dựng theo quan hệ (6-46), đơn vị đo p h là mmHg. Trạng thái không khí ẩm đợc xác định khi biết hai trong các thông số i, d, t, . . . . Khi đã xác định đợc trạng thái của không khí ẩm trên đồ thị i-d, ta có thể xác định đợc các thông số còn lại. 6.4.2. Các quá trình của không khí ẩm 6.4.2.1.Quá trình sấy Quá trình sấy là quá trình làm giảm độ ẩm của vật muốn sấy. Môi chất dùng để sấy thờng là không khí ẩm cha bão hòa hoặc sản phẩm cháy của nhiên liệu, về nguyên tắc hoàn toàn giống nhau, ở đây ta khảo sát quá trình sấy dùng không khí làm môi chất sấy. Quá trình sấy đợc chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn cấp nhiệt cho không khí và giai đoạn không khí sấy nóng vật sấy và hút ẩm từ vật sấy. Quá trình sấy đợc biểu diễn trên hình 6-11. Không khí từ trạng thái 1 đợc cấp nhiệt theo quá trình 1-2 nhiệt độ tăng t 1 đến t 2 , entanpi tăng từ i 1 đến i 2 , độ ẩm tơng đối giảm từ 1 đến 2 nhng độ chứa hơi không thay đổi d 1 = const. Không khí sau khi đợc sấy nóng đi vào buồng sấy, tiếp xúc với vật sấy, sấy nóng vật sấy và làm cho nớc trong vật sấy bay hơi. Quá trình sấy 2 3 có entanpi không đổi (i 2 = i 3 ), độ ẩm tơng đối của không khí tăng từ 2 đến 3 và độ chứa hơi tăng từ d 1 đến d 3 , nghĩa là độ chứa hơi trong vật sấy bốc giảm. - Không khí nhận một lợng hơi nớc từ vật sấy bốc ra G n : G n = d 3 d 1 ; [kgh/kgK] (6-48) - Lợng không khí khô cần thiết làm bay hơi 1kg nớc: G k = 1/(d 3 d 1 ); [kgh/kgK] (6- 49) - lợng không khí ẩm ở trạng thái ban đầu cần để làm bay hơi 1kg nớc trong vậy sấy: G = (1 + d 1 ) G k (6-50) - Lợng nhiệt cần để đốt nóng 1kg không khí khô chứa trong (1+d)kg không khí ẩm là: q = i 2 i 1 ; [kJ/kgK] (6- 51) - Lợng nhiệt cần thiết để làm bay hơi 1kg nớc trong vật sấy: Q = g k q = (i 2 i 1 )/(d 3 d 2 ); [kJ/kgh] (6-52) 6.4.2.2. Quá trình điều hòa không khí 71 Thck chất của quá trình điều hòa không khí là ssấy nóng làm lạnh không khí, đồng thời điều chỉnh độ ẩm của nó đến một giá trị nào đó trớc khi đa không khí vào phòng. Điều hòa không khí gồm các quá trình lọc bụi, hỗn hợp không khí mới với không khí trong phòng, tăng hoặc giảm độ ẩm, nhiệt độ cho phù hợp với yêu cầu của môi trờng sống hoặc để bảo quản vật t, thiết bị 72 Chơng 7. các chu trình nhiệt động 7.1. chu trình động cơ đốt trong 7.4.1. Chu trình Carno hơi nớc 7.1.1. Khái niệm Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt mà quá trình cháy đợc tiến hành bên trong xi lanh và sản phẩm cháy đợc thải ra môi trờng. Đây là chu trình biến đổi nhiệt thành công. Hiện nay động cơ đốt trong đwocj sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt nh dùng làm động cơ cho ôtô, máy kéo, xe lửa, máy phát điện . . . Môi chất làm việc trong động cơ đốt trong lúc đầu là không khí và nhiên liệu, sau đó là sản phẩm cháy của hỗn hợp không khí và nhiên liệu. Có nhiều cách phân loại động cơ đốt trong, có thể phân loại theo nhiên liệu sử dụng, theo hành trình piston, theo quá trình cấp nhiệt . . . ở đây, theo quan điểm nhiệt động, dựa vào chu trình cấp nhiệt ta phân động cơ đốt trong thành 3 loại: chu trình cấp nhiệt đẳng áp, chu trình cấp nhiệt đẳng tích, chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Để nghiên cứu các quá trình của động cơ đốt trong, ta giả thiết: - Môi chất là khí lý tởng và đồng nhất, - Các quá trình xẩy ra đều là thuận nghịch, - Quá trình cháy là quá trình cấp nhiệt, quá trình thải sản phẩm cháy là quá trình nhả nhịêt. - Công trong quá trình nạp môi chất và quá trình thải sản phẩm cháy triệt tiêu lẫn nhau và biến hệ ở đây thành hệ kín. 7.1.2. Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 7.1.2.1. Mô tả chu trình Trong chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, nhiên liẹu sẽ đợc bơm cao áp nén đến áp suất cao, phun vào xi lanh ở dạng sơng mù. Trong xi lanh không khí sẽ đã đợc nén đến áp suất và nhiệt độ cao, vào xi lanh gặp không khí nhiên liệu sẽ tự bốc cháy ngay. Quá trình cháy gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu cháy đẳng tích, giai đoạn sau cháy đẳng áp. Chu trình cháy lý tởng của động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp đợc trình bày trên hình 7.1. Chu trình gồm: 1-2 là quá trình nén đoan nhiệt, 2-2 là quá trình cấp nhiệt đẳng tích, môi chất nhận nhiệt lợng q 1 , 2-3 là quá trình cấp nhiệt đẳng áp, môi chất nhận nhiệt lợng q 1 3-4 là quá trình dãn nở đoạn nhiệt, 4-1 là quá trình nhả nhiệt đẳng tích, nhả nhiệt lợng q 2 , 73 7.1.2.2. Hiệu suất chu trình cấp nhiệt hỗn hợp Hình 7.1 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp * Các đại lợng đặc trng cho chu trình: - Thông số trạng thái đầu: p 1 , T 1 , - Tỷ số nén: 2 1 v v = (7-1) - Tỉ số tăng áp: 2 3 p p = (7-2) - Hệ số dãn nở sớm: 2 3 'v v = (7-3) * Hiệu suất của chu trình: 1 21 ct q qq = (7-4) Trong đó: q 1 là nhiệt lợng chu trình nhận đợc từ quá trình cháy nhiên liệu, gồm q 1 là nhiệt lợng nhận đợc từ quá trình cháy đẳng tích 2-2, q 1 là nhiệt lợng nhận đợc từ quá trình cháy đẳng áp 2-3, vậy: q 1 = q 1 + q 1 , q 2 là nhiệt lợng cho nguồn lạnh trong quá trình nhả nhiệt đẳng tích 4-1, Từ đó ta có hiệu suất chủa chu trình là: "'' 11 2 ct qq q 1 + = (7-5) vì 2-2 là quá trình cấp nhiệt đẳng tích, nên q 1 = C v (T 2 - T 2 ), vì 2-3 là quá trình cấp nhiệt đẳng áp, q 1 = C p (T 3 - T 2 ), vì 4-1 là quá trình nhả nhiệt đẳng tích, nên q 2 = C v (T 4 - T 1 ), Thay các giá trị của q 1 , q 1 và q 2 vào (7-5) ta đợc: 74 ( ) ()() '' 2 3p2 2 v 14v ct TTCTTC TTC 1 + = (7-6a) () ()() '' 2 32 2 14 ct TTkTT TT 1 + = (7-6b) Dựa vào đặc điểm quá trình của các chu trình, ta tiếp tục biến đổi để có thể tính hiệu suất của chu trình theonhiệt độ đầu T 1 và các đại lợng đặc trng cho chu trình nh sau: - Vì 1-2 là quá trình nén đoan nhiệt nên ta có 1k 1k 2 1 1 2 v v T T = = , suy ra: 1k 12 TT = , 2-2 là quá trình cấp nhiệt đẳng tích nên: == 2 '2 2 '2 p p T T , suy ra: 1k 12'2 TTT == , 2 -3 là quá trình cấp nhiệt đẳng áp nên: == '2 3 '2 3 v v T T , suy ra: 1k 1'23 TTT == , 3-4 là quá trình dãn nở đoạn nhiệt nên: 1k 1k 1 2 2 3 1k 1 3 1k 4 3 3 4 v v v v v v v v T T = = = = . , suy ra: k 1 1k 1k 1 1k 34 TTTT = = = Thay các giá trị T 2 , T 2 , T 3 và T 4 vào (7-6) ta có: ()( ) 1k 1 1k 1 1k 1 1k 1 1 k 1 ct TTkTT TT 1 + = Rút gọn lại ta có hiệu suất chu trình: ()() [] 1k1 1 1 1k k ct + = (7-7) 7.1.3. Các chu trình khác Ngoài chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, còn có chu trình cấp nhiệt đẳng áp, chu trình cấp nhiệt đẳng tích. 7.1.3.1. Chu trình cấp nhiệt đẳng tích ở chu trình cấp nhiệt đẳng tích, nhiên liệu (xăng) và không khí đợc hỗn hợp trớc ở ngoài xi lanh. Sau đó hỗn nhiên liệu và không khí đợc nạp vào xi lanh và nén đoạn nhiệt đến áp suất và nhiệt độ cao (đợc biểu diễn bằng đoạn 1- 2) nhng vẫn thấp hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nó nên nó không tự bốc cháy . 1k 12 TT = , 2- 2 là quá trình cấp nhiệt đẳng tích nên: == 2 &apos ;2 2 &apos ;2 p p T T , suy ra: 1k 12& apos ;2 TTT == , 2 -3 là quá trình cấp nhiệt đẳng áp nên: == &apos ;2 3 &apos ;2 3 v v T T ,. nhiệt động, dựa vào chu trình cấp nhiệt ta phân động cơ đốt trong thành 3 loại: chu trình cấp nhiệt đẳng áp, chu trình cấp nhiệt đẳng tích, chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Để nghiên cứu các quá trình. quá trình nhả nhịêt. - Công trong quá trình nạp môi chất và quá trình thải sản phẩm cháy triệt tiêu lẫn nhau và biến hệ ở đây thành hệ kín. 7.1 .2. Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 7.1 .2. 1.