79 Hầu hết các dòng năng lượng có thể được xác định theo các nguyên lý cơ bản, nhưng sự rò rỉ và các tổn thất qua các góc cạnh rất khó xác định và có thể gộp lại và được xác định bằng thực nghiệm bằng các thiết bị chưng cất thực tế. Sơ đồ mạng nhiệt của thiết bị chưng cất nước dạng bể tương tự nh ư sơ đồ nhiệt của collector tấm phẳng nhưng có 3 sự khác biệt sau (hình 4.21). Năng lượng truyền từ đáy đến tấm phủ xảy ra bởi quá trình bay hơi-ngưng tụ cộng thêm đối lưu và bức xạ. Tổn thất phía đáy chủ yếu là quá trình truyền nhiệt xuống nền đất. Chiều sâu của nước trong thiết bị hay dung lượng của bể phả i được xác định trong tính toán Lượng nước ra chưng cất tính được từ quá trình bay hơi ngưng tụ truyền từ đáy đến tấm phủ. Sơ đồ nhiệt được trình bày ở hình 4.21, trong đó các nhiệt trở tương ứng với các dòng năng lượng hình 4.20. (Các phần rò rỉ, tổn thất qua các cạnh, nước vào và ra không trình bày ở đây). q Ta r,c-s q r,b-c q c,c-s c,b-c q r,c-s q q e Tc Tb Tg G τα Hình 4.21. Sơ đồ mạng nhiệt H×nh 4.22. HÖ thèn g ch−n g cÊt n−íc dïn g n¨n g l−în g mÆt trêi 80 4.4. Động cơ Stirling Động cơ Stirling là một thiết bị có nhiều u việt và cấu tạo đơn giản. Một đầu động cơ đợc đốt nóng, phần còn lại để nguội và công hữu ích đợc sinh ra. Đây là một động cơ kín không có đờng cấp nhiên liệu cũng nh đờng thải khí. Nhiệt dùng đợc lấy từ bên ngoài, bất kể vật gì nếu đốt cháy đều có thể dùng để chạy động cơ Stirling nh: than, củi, rơm rạ, dầu hỏa, dầu lửa, cồn, khí đốt tự nhiên, gas mêtan, nhng không đòi hỏi quá trình cháy mà chỉ cần cấp nhiệt đủ để làm cho động cơ Stirling hoạt động. Đặc biệt động cơ Stirling có thể hoạt động với năng lợng mặt trời, năng lợng địa nhiệt, hoặc nhiệt thừa từ các quá trình công nghiệp. Nguyên lý hoạt động: Đợc phát minh từ 1816 động cơ Stirling đầu tiên đã là những thiết bị lớn làm việc trong môi trờng công nghiệp. Sau đó các kiểu động cơ Stirling nhỏ hơn và êm này đã trở thành đồ dùng gia đình phổ biến nh: quạt, máy may, bơm nớc Các động cơ Stirling ban đầu chứa không khí và đợc chế tạo từ các vật liệu bình thờng rất phổ biến nh động cơ hot air. Không khí đợc chứa trong đó và là đối tợng để dãn nở nhiệt, làm lạnh và nén bởi sự chuyển động của các phần khác nhau của động cơ. Động cơ Stirling là một động cơ nhiệt. Để hiểu một cách đầy đủ về sự hoạt động và tiềm năng sử dụng của nó, điều chủ yếu là biết vị trí và lĩnh vực chung của các động cơ nhiệt. Động cơ nhiệt là một thiết bị có thể liên tục chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng. Một ví dụ hiện thực về động cơ nhiệt là đầu máy xe lửa chạy bằng hơi nớc trong những năm trớc đây. Năng lợng nhiệt đợc cung cấp bằng cách đốt than hoặc củi, lợng nhiệt này nung nóng nớc chứa trong lò hơi và sản ra hơi có áp suất cao, hơi này dãn nở trong xi lanh và đẩy piston chuyển động kéo theo bánh đà, và kéo xe lửa chuyển động. Sau mỗi hành trình của piston, hơi đã sử dụng vẫn còn một ít nóng và đợc thải ra và nhờng chỗ cho hơi mới có áp suất cao vào xylanh. Động cơ diesel là một dạng của động cơ nhiệt nhng ở dạng khác và thờng gọi là động cơ đốt trong. Trong động cơ đốt trong, nhiệt đợc cung cấp bởi sự đốt cháy nhiên liệu ngay phần bên trong của động cơ, các nhiên liệu này thờng là nhiên liệu lỏng nh dầu diesel, xăng. Một phần nhiệt biến thành công do sự dãn nở 81 khí nóng (sản phẩm cháy) tác động vào piston. Phần nhiệt còn lại bị thải ra và thoát ra ngoài bởi bức xạ hay tỏa ra từ các cánh làm mát của động cơ. Động cơ tiếp tục sinh công hữu ích chừng nào nhiên liêu còn cung cấp để tạo nhiệt. Ba quá trình: cấp nhiệt, sinh công và thải nhiệt là đặc tính chung của các động cơ nhiệt. Động cơ Stirling thì cơ chế của các quá cấp nhiệt, thải nhiệt và sinh công có hơi khác. Để nghiên cứu kỹ về sự hoạt động của động cơ Stirling ta xét một xi lanh kín một đầu với một piston nh hình 5.23 và một ít không khí chứa bên trong. Piston chuyển động qua lại tự do nhng hầu nh kín. Giả sử lúc đầu toàn bộ thiết bị có nhiệt độ bằng nhiệt độ đầu lạnh, lúc này không khí bên trong có áp suất bằng áp suất của không khí bên ngoài. Với điều kiện đó, piston sẽ đứng yên ở vị trí ban đầu. Nếu ta đốt nóng một đầu xilanh (đầu nóng) nguồn nhiệt đợc sử dụng có thể là chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại đầu xilanh hoặc một cách đơn giản là nhúng đầu xilanh vào nớc nóng, thì áp suất và nhiệt độ không khí bên trong tăng lên. áp suất cao sẽ đẩy piston chuyển động và sinh ra công hữu ích (hình: 5.23, 5.24, 5.25). Bất kỳ nguồn nhiệt nào cũng sinh ra công, nhng với nguồn có nhiệt độ càng cao thì tạo ra công càng lớn. Động cơ không những chỉ chuyển nhiệt thành công một lần đơn giản nh trên mà cần phải có khả năng tiếp tục sinh công. Hình 5.25. Khôn g khí á p suất cao đẩ y p iston Đầu nóng Đầu lạnh Hình 5.24. Cấp nhiệt một đầu xylanh, nhiệt độ và áp suất không khí tăng lên Hình 5.23. Không khí bên trong và bên ngoài có áp suất và nhiệt độ bằng nhau 82 Công có thể sinh ra từ không khí nóng trong xilanh chừng nào còn có quá trình dãn nở của không khí bên trong. Nếu piston di chuyển ra ngoài quá xa nó sẽ vọt ra khỏi xilanh và quá trình sinh công sẽ kết thúc. Do vậy quá trình dãn nở cần phải kết thúc trớc khi điều đó xảy ra. Nếu xilanh đợc chế tạo thật dài thì quá trình dãn nở có thể xa hơn nhng cũng có giới hạn hơn nữa piston sẽ chỉ ra ngoài đến khi áp suất bên trong giảm xuống bằng áp suất khí quyển. Nếu khi piston chuyển động đến đầu bên phải của xilanh, ta ngừng quá trình cấp nhiệt và tăng quá trình thải nhiệt (làm mát) thì nhiệt độ và áp suất của không khí phía trong xilanh giảm xuống đến khi áp suất của không khí bên trong thấp hơn áp suất của khí quyển bên ngoài thì piston sẽ chuyển động ngợc lại và trở lại vị trí ban đầu (hình 5.26, 5.27, 5.28). Hình 5.26. Quá trình dãn nở cho đến khi áp suất không khí bên tron g bằn g á p suất khí q u y ển Hình 5.27. Nêú ngừng cấp nhiệt mà thải nhiệt thì áp suất khôn g khí bên tron g g iảm xuốn g Hình 5.28. Piston chuyển động vào bên trong do áp suất khôn g khí bên n g oài cao hơn Hình 5.29. N g u y ên l ý hoạt độn g tự độn g của độn g cơ Stirlin g 83 Vấn đề đặt ra đối với động cơ Stirling là làm thế nào để chúng hoạt động một cách tự động, tức là xilanh nhận, thải nhiệt đúng lúc và liên hệ chặt chẽ với sự chuyển động của piston. Hình 5.29 biểu thị nguyên lý hoạt động đơn giản của động cơ Stirling. Hiện nay về thực nhiệm các kiểu động cơ Stirling đã đạt đợc độ tin cậy cho sự thực thi. Với hợp kim chịu nhiệt độ cao, thiết bị công nghệ mới, thiết kế quá trình trao đổi nhiệt có sự trợ giúp của máy tính và đợc nạp khí Hêli hoặc Hyđrô với áp suất cao, các kiểu Stirling có thể dễ dàng vuợt trội các động diesel về hiệu suất cũng nh về tỷ lệ giữa năng lợng và trọng lợng. Với đặc chuyển động êm và độ ô nhiễm thấp, động cơ Stirling sẽ không còn có đối thủ cạnh tranh trong tơng lai. /. Hình 5.30. Bơm nớc Stirling dùng NLMT 47 Chơng 5: Hơi nớc và các quá trình của nó 5.1 Khái niệm cơ bản 5.1.1. Hơi nớc là 1 khí thực Hơi nớc có rất nhiều u điểm so với các môi chất khác nh có nhiều trong thiên nhiên, rẻ tiền và đặc biệt là không độc hại đối với môi trờng và không ăn mòn thiết bị, do đó nó đợc sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp. Hơi nớc thờng đợc sử dụng trong thực tế ở trạng thái gần trạng thái bão hoà nên không thể bỏ qua thể tích bản thân phân tử và lực hút giữa chúng. Vì vậy không thể dùng phơng trình trạng thái lí tởng cho hơi nớc đợc. Phơng trình trạng thái cho hơi nớc đợc dùng nhiều nhất hiện nay là phơng trình Vukalovich-novikov: =+ +m232 T c 1RTbv v a p / ))(( (5-1) ở đây : a,b,m là các hệ số đợc xác định bằng thực nghiệm. Từ công thức này ngời ta đã xây dựng bảng và đồ thị hơi nớc . 5.1.2 Quá trình hoá hơi của nớc Nớc có thể chuyển từ thể lỏng sang thể hơi nhờ quá trình hoá hơi. Quá trình hoá hơi có thể là bay hơi hoặc sôi. * Quá trình bay hơi: Quá trình bay hơi là quá trình hoá hơi chỉ xảy ra trên bề mặt thoáng chất lỏng, ở nhiệt độ bất kì. - Điều kiện để xảy ra quá trình bay hơi : Muốn xảy ra quá trình bay hơi thì cần phải có mặt thoáng. - Đặc điểm của quá trình bay hơi: Quá trình bay hơi xảy ra do các phân tử nớc trên bề mặt thoáng có động năng lớn hơn sức căng bề mặt và thoát ra ngoài, bởi vậy quá trình bay hơi xảy ra ở bất kì nhiệt độ nào. - Cờng độ bay hơi phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất lỏng. Nhiệt độ càng cao thì tốc độ bay hơi càng lớn. * Quá trình sôi: Quá trình sôi là quá trình hoá hơi xảy ra cả trong lòng thể tích chất lỏng. - Điều kiện để xảy ra quả trình sôi: Khi cung cấp nhiệt cho chất lỏng thì nhiệt độ của nó tăng lên và cờng độ bay hơi cũng tăng lên, đến một nhiệt độ xác định nào đó thì hiện tợng bay hơi xảy ra cả trong toàn bộ thể tích chất lỏng, khi đó các bọt hơi xuất hiện cả trên bề mặt nhận nhiệt lẫn trong lòng chất lỏng, ta nói chất lỏng sôi. Nhiệt độ đó đợc gọi là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hoà. - Đặc điểm của quá trình sôi: Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào bản chất và áp suất của chất lỏng đó. ở áp suất không đổi nào đó thì nhiệt độ sôi của chất lỏng không đổi, khi áp suất chất lỏng càng cao thì nhiệt độ sôi càng lớn và ngợc lại. 5.1.3 Quá trình ngng tụ : 48 Quá trình ngợc lại với quá trình sôi là quá trình ngng tụ, trong đó hơi nhả nhiệt và biến thành chất lỏng. Nhiệt độ của chất lỏng không thay đổi suốt trong quá trình ngng tụ . 5.2 QUá TRìNH HóA HƠI ĐẳNG áP 5.2.1 Mô tả quá trình Giả thiết nớc bắt đầu ở trạng thái O trên đồ thị p-v và T-s hình 5.1 và 5.2 có nhiệt độ t, thể tích riêng là v. Khi cung cấp nhiệt cho nớc trong điêu kiện áp suất không đổi p = const, nhiệt độ và thể tích riêng tăng lên. Đến nhiệt độ t s nào đó thì nớc bắt đầu sôi, có thể tích riêng là v và các thông số trạng thái khác tơng ứng là: u, i, s, trạng thái sôi đợc biểu thị bằng điểm A. t s đợc gọi là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hoà ứng với áp suất p. Nếu tiếp tục cấp nhiệt vẫn ở áp suất đó thì cờng độ bốc hơi càng tăng nhanh, nhiệt độ của nớc và hơi không thay đổi và bằng t s . Đến một lúc nào đó thì toàn bộ nớc sẽ biến hoàn toàn thành hơi trong khi nhiệt độ của hơi vẫn còn giữ ở nhiệt độ t s . Hơi nớc ở trạng thái này đợc gọi là hơi bão hoà khô, đợc biễu diễn bằng điểm C. Các thông số tại điểm C đợc kí hiệu là v, u, i, s. Nhiệt lợng cấp vào cho 1 kg nớc từ khi bắt đầu sôi đến khi biến thành hơi hoàn toàn đợc gọi là nhiệt ẩn hoá hơi, kí hiệu là r = i - i Nếu ta cung cấp nhiệt cho hơi bão hoà khô vẫn ở áp suất đó thì nhiệt độ và thể tích riêng của nó lại bắt đầu tiếp tục tăng lên. Hơi nớc ở nhiệt độ này gọi là hơi quá nhiệt. Các thông số hơi quá nhiệt kí hiệu là v, p, t, i, s. Hiệu số nhiệt độ của hơi quá nhiệt và hơi bão hoà đợc gọi là độ quá nhiệt. Độ quá nhiệt càng cao thì hơi càng gần với khí lí tởng. Vậy ở áp suất p không đổi, khi cấp nhiệt cho nớc ta sẽ có các trạng thái O, A, C tơng ứng với nớc cha sôi, nớc sôi và hơi bão hoà khô. Quá trình đó đợc gọi là quá trình hoá hơi đẳng áp. Tơng tự nh vậy, nếu cấp nhiệt đẳng áp cho nớc ở áp suất p 1 = const thì ta có các trạng thái tơng ứng kí hiệu O 1 , A 1 , C 1 và ở áp suất p 2 = const ta cũng có các điểm tơng ứng là O 2 , A 2 , C 2 49 5.2.2 Các đờng đặc tính của nớc Khi nối các điểm O, O 1 , O 2 , O 3 ta đợc một đờng gọi là đờng nớc cha sôi, đờng này gần nh thẳng đứng, chứng tỏ thể tích riêng của nớc rất ít phụ thuộc vào áp suất. Khi nối các điểm A, A 1 ,A 2 , A 3 ta đợc một đờng cong biểu thị trạng thái nớc sôi gọi là đờng giới hạn dới. Khi nhiệt độ sôi tăngthì thể tích riêng của nớc sôi v tăng, do đó đờng cong này dịch dần về phía bên phải khi tăng áp suất. Khi nối các điểm C, C 1 , C 2 , C 3 ta đợc một đờng cong biểu thị trạng thái hơi bão hoà khô, gọi là đờng giới hạn trên. Khi áp suất tăng thì thể tích riêng của hơi bão hoà khô giảm nên đờng cong này dịch về phía trái. Đờng giới hạn trên và đờng giới hạn dới gặp nhau tại điểm K, gọi là điểm tới hạn. Trạng thái tại điểm K gọi là trạng thái tới hạn, đó chính là trạng thái mà không còn sự khác nhau giữa chất lỏng sôi và hơi bão hào khô. Các thông số tơng ứng với trạng thái đó đợc gọi là thông số tới hạn, ví dụ nớc có p k = 22,1Mpa,t k = 374 o C, v k =0.00326m 3 /kg, i k = 2156,2kj/kg, s k =4,43kj/kgđộ. Hai đờng giới hạn trên và dới chia đồ thị làm 3 vùng. Vùng bên trái đờng giới hạn dới là vùng nớc cha sôi, vùng bên phải đờng giới hạn trên là vùng hơi quá nhiệt, còn vùng giữa hai đờng giới hạn là vùng hơi bão hoà ẩm. Trong vùng bão hoà ẩm thì nhiệt độ và áp suất không còn là thông số độc lập nữa. ứng với nhiệt độ sôi, môi chất có áp suất nhất định và ngợc lại ở một áp suất xác định, môi chất có nhiệt độ sôi tơng ứng. Vì vậy, ở vùng này muốn xác định trạng thái của mỗi chất phải dùng thêm một thông số nữa gọi là độ khô x hay độ ẩm y của hơi, (y = 1- x) . Nếu xét G kg hỗn hợp hơi và nớc (hơi ẩm), trong đó gồm "' " GG G x + (5-2) hoặc độ ẩm: "' ' GG G y + = (5-3) Nh vậy ta thấy: Trên đờng giới hạn dới lợng hơi G = 0, do đó độ khô x= 0, độ ẩm y=1. Còn trên đờng giới hạn trên, lợng nớc đã biến hoàn toàn toàn thành hơi nên G = 0 nghĩa là độ khô x = 1, độ ẩm y = 0 và giữa hai đờng giới hạn có độ khô: 0 < x < 1 5.3. xác định các thông số trạng thái của nớc và hơi bằng đồ thị hoặc bảng Cũng nh hơi của các chất lỏng khác, hơi nớc là một khí thực, do đó không thể tính toán theo phơng trình trạng thái của khí lí tởng đợc. Muốn tính toán chúng cần phải sử dụng các đồ thị hoặc bảng số đã đợc lập sẵn cho từng loại hơi. 50 5.3.1. các bảng và xác định thông số trạng thái của nớc. * Bảng nớc cha sôi và hơi qua nhiệt: Để xác định trạng thái môi chất ta cần biết hai thông số trạng thái độc lập. Trong vùng nớc chứa sôi và vùng hơi qua nhiệt, nhiệt độ và áp suất là hai thông số độc lập, do đó bảng nớc cha sôi và hơi quá nhiệt đợc xây dựng theo hai thông số này. Bảng nớc cha sôi và thông qua hơi nhiệt đợc trình bày ở phần phụ lục, bảng này cho phép xác định các thông số trạng thái v, i, s của nớc cha sôi và hơi quá nhiệt ứng với một áp suất và nhiệt độ xác định nào đó. Từ đó định đợc: u = i pv (5-4) * Bảng nớc sôi và hơi bão hòa khô: Khi môi chất có trạng thái trong vùng giữa đờng giới hạn dới (đờng nớc sôi) và đờng giới hạn trên (đờng hơi bão hào khô) thì nhiệt độ và áp suất không còn là hai thông số độc lập nữa, vì vậy muốn xác định trạng thái của môi chất thì cần biết thêm một thông số khác nữa. Độ khô cũng là một thông số trạng thái. Nớc sôi có độ khô x = 0, hơi bão hòa khô có độ khô x= 1, nh vậy trạng thái của môi chất trên các đờng giới hạn này sẽ đợc xác định khi biết thêm một thông số trạng thái nữa là áp suất p hoặc nhiệt độ t. Chính vì vậy các thông số trạng thái khác của nớc sôi và hơi bão hòa khô có thể đợc xác định bằng bảng nớc sôi và hơi bão hoà khô theo áp hoặc nhiệt độ. Bảng nớc sôi và hơi bão hòa khô có thể cho theo p hoặc t, đợc trình bày trong phần phụ lục, cho biết các thông số trạng thái của nớc sôi (v, i, s), hơi bão hòa khô (v, i,s) và nhiệt ẩn hoá hơi r theo áp suất hoặc theo nhiệt độ. Khi môi chất ở trong vùng hơi ẩm, các thông số trạng thái của nó có thể đợc tính theo các thông số trạng thái tơng ứng trên các đ ờng giới hạn và độ khô x ở cùng áp suất. Vi dụ: Trong 1kg hơi ẩm có độ khô x, sẽ có x kg hơi bão hòa khô với thể tích v và (1-x)kg nớc sôi với thể tích v. Vậy thể tích riêng của hơi ẩm sẽ là: v x = xv + (1-x)v = v + x (v v) (5-5) Nh vậy, muốn xác định các thông số trạng thái của hơi ẩm có độ khô x ở áp suất p, trớc hết dựa vào bảng nớc sôi và hơi bão hòa khô ta xác định các thông số v,i,s của nớc sôi và v.i,s của hơi bão hòa khô theo áp suất p, sau đó tính các thông số tơng ứng của hơi ẩm theo công thức: x = + x ( - ) (5-6) Trong đó: x là thông số trạng thái của hơi bão hòa ẩm có độ khô x (ví dụ v x , i x , s x ), là thông số trạng thái v,i,s của nớc sôi tơng ứng trên đờng x=0 là thông số trạng thái v, i, s của hơi bão hòa khô tơng ứng trên đờng x= 1 ở cùng áp suất. 5.3.2. Đồ thị T-s và i-s của hơi nớc 51 Các bảng hơi nớc cho phép tính toán các thông số trạng thái với độ chính xác cao, tuy nhiên việc tính toán phức tạp và mất nhiều thời giờ. Để đơn giản việc tính toán, ta có thể dùng đồ thị của hơi nớc. Dựa vào đồ thị có thể xác định các thông số còn lại khi biết 2 thông số độc lập với nhau. Đối với hơi nớc, thờng dùng các đồ thị T-s, i-s. *Đồ thị T s của hơi nớc: Đồ thị T-s của hơi nớc đợc biểu thị trên hình 5.2, trục tung của đồ thị biễu diễn nhiệt độ, trục hoành biểu diễn entropi. ở đây các đờng đẳng áp trong vùng nớc cha sôi gần nh trùng với đờng giới hạn giới x = 0 (thực tế nằm trên đờng x = 0), trong vùng hơi bão hoà ẩm là các đờng thẳng song song với trục hoành và trùng với đờng đẳng nhiệt, trong vùng hơi quá nhiệt là các đờng cong lõm đi lên. Các đờng độ khô không đổi xuất phát từ điểm K đi tỏa xuống phia dới. Đồ thị T-s đợc xây dựng cho vùng hơi bão hòa và vùng hơi quá nhiệt. * Đồ thị i-s của hơi nớc: Theo định luật nhiệt đông thứ nhất ta có q = i 1, mà trong quá trình đẳng áp dp = 0 do đó 1 = 0, vậy q = i = i 2 i 1 . Nghĩa là trong quá trình đẳng áp, nhiệt lợng q trao đổi bằng hiệu entanpi, vì vậy đồ thị i-s sử dụng rất thuận tiện khi tính nhiệt lợng trong quá trình đẳng áp. Đồ thị i-s của hơi nớc đợc biểu diễn trên hình 5.3, trục tung biễu diễn entanpi, trục hoành biễu diễn Entropi, đợc xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm. . nhau. Đối với hơi nớc, thờng dùng các đồ thị T-s, i-s. *Đồ thị T s của hơi nớc: Đồ thị T-s của hơi nớc đợc biểu thị trên hình 5.2, trục tung của đồ thị biễu diễn nhiệt độ, trục hoành biểu. thay đổi suốt trong quá trình ngng tụ . 5.2 QUá TRìNH HóA HƠI ĐẳNG áP 5.2.1 Mô tả quá trình Giả thiết nớc bắt đầu ở trạng thái O trên đồ thị p-v và T-s hình 5.1 và 5.2 có nhiệt độ t,. tấm phủ. Sơ đồ nhiệt được trình bày ở hình 4.21, trong đó các nhiệt trở tương ứng với các dòng năng lượng hình 4.20. (Các phần rò rỉ, tổn thất qua các cạnh, nước vào và ra không trình bày ở