THIẾT bị NĂNG LƯỢNG tàu THỦY

Đây là tài liệu Thiết bị năng lượng tàu thủy được sử dụng rộng rãi trong các trường DH, trong ngành đóng tàu. Tài liệu này giúp các bạn rất nhiều trong quá trình học tập. Tài liệu rất hay... chúc các bạn thành công....

Nguyễn Văn Năm

THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG TÀU THUỶ

ĐẠI HỌC GTVT TP HỒ CHÍ MINH- NĂM 2011

Chương 1: NỒI HƠI TÀU THỦY 1.1 HƠI NƯỚC

 Trong công nghiệp hiện đại và giao thông vận tải, các động cơ hơi nước chiếm một vai trò quantrọng Làm công chất trong nhà máy nhiệt điện, trong vận tải đường sắt và đường thuỷ, trong sinhhoạt, dùng trong các nhu cầu hâm sấy, điều hoà khí hậu Hơi nước còn là chất công tác duy nhấtđược áp dụng trong nhà máy điện nguyên tử Hơi nước được ứng dụng rộng rãi là vì nó có nhữngtính ưu việt nổi bật so với những khí thực khác Hơi nước có ở khắp mọi nơi, rẻ tiền không độc hại

và có đủ tính chất nhiệt động cần thiết với vai trò một chất môi giới trong các thiết bị nhiệt

 Cũng như mọi tính chất khí thực khác mà trước đây trong việc thiết lập phương trình trạng tháicủa chất khí chúng ta đã nghiên cứu, hơi nước có tính chất khác hẳn khí lý tưởng Ngay ở điều kiệnnhiệt độ và áp suất bình thường hơi nước đã rất gần với trạng thái bão hoà Trong các thiết bị nhiệthơi nước được sử dụng ở áp suất cao, nhiệt độ tương đối thấp nên càng gần với thể lỏng, vì vậykhông thể bỏ qua thể tích bản thân và lực tương tác giữa các phân tử, nghĩa là đối với hơi nước pv

RT Do tính chất nhiệt động rất phức tạp của nước người ta chưa thể nghiên cứu hơi nước bằng lýthuyết mà kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm Một trong những phương trình trạng thái đạt độchính xác cao là phương trình Vucalovic-Nôvikop lập năm 1939:

b v v

a p

2 3

 Trong đó: c, m là các hệ số được xác định bằng thực nghiệm

 Các tác giả khi thiết lập phương trình này đã có xét đến hiện tượng kết hợp và phân ly của cácphân tử Hiện tượng kết hợp là hiện tượng hai hoặc nhiều phân tử chất khí nối với nhau một cách cơhọc thành một chất điểm phức tạp Còn ngược lại là sự phân ly của các phân tử tiến hành ở nhiệt độcao Do hiện tượng kết hợp của các phân tử, số phân tử tự do trong chất khí giảm đi làm giảm ápsuất của chất khí Phương trình này hiện nay được áp dụng rất rộng rãi và là cơ sở của việc tính toánhơi nước

1.1.1 Các khái niệm cơ bản và các định nghĩa

 Sự hoá hơi của nước: Hoá hơi là sự chuyển nước từ thể lỏng sang thể hơi, được tiến hành bằnghai cách là bay hơi và sôi

 Sự bay hơi: Là quá trình hoá hơi xảy ra trên bề mặt thoáng của chất lỏng

Đó là quá trình các phân tử có động năng lớn thắng được sức căng của bề mặt bay ra không gianngoài bề mặt thoáng ở bất kỳ nhiệt độ nào Bay hơi làm cho nhiệt độ của chất lỏng giảm xuống,cường độ bay hơi phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng, nhiệt độ của chất lỏng, phân áp suất của hơitrong không gian phía trên mặt thoáng Khi nhiệt độ tăng thì cường độ bay hơi của chất lỏng tăng

Nếu không gian phía trên bề mặt chất lỏng không bị hạn chế thì quá trình bay hơi diễn ra liên tục vàhoàn toàn Ví dụ như hiện tượng bay hơi của nước trên bề mặt ao, hồ, sông, ngòi

 Sự sôi: Là quá trình hoá hơi xảy ra trong toàn bộ thể tích chất lỏng

Nếu ta cấp nhiệt cho chất lỏng thì nhiệt độ và cường độ hoá bay hơi của chất lỏng tăng lên Đến mộtnhiệt độ hoàn toàn xác định nào đó (phụ thuộc vào bản chất và áp suất của chất lỏng) việc bay hơi

sẽ xảy ra trong toàn bộ thể tích chất lỏng do xuất hiện những bọt hơi lớn dần bị vỡ và đi lên bề mặtthoáng Thực nghiệm cho thấy với một chất lỏng xác định ở một áp suất đã cho sẽ có nhiệt độ sôixác định, trong quá trình sôi nếu áp suất không thay đổi thì nhiệt độ sôi cũng không thay đổi, khităng áp suất thì nhiệt độ sôi cũng tăng Do đó nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc vào áp suất vàbản chất của chất lỏng

Nhiệt độ sôi ký hiệu tshoặc Ts= f(p)

 Sự ngưng tụ: Là quá trình ngược lại của quá trình sôi

Nếu rút nhiệt từ hơi thì hơi quay về thể lỏng Thực nghiệm cho thấy trong suốt quá trình ngưng tụ

áp nếu suất không đổi thì nhiệt độ ngưng tụ cũng không đổi Nhiệt độ đó cũng là nhiệt độ sôi củachất lỏng tại áp suất đó

Nhiệt độ ngưng tụ ký hiệu tshay Ts= f(p)

 Hơi bão hoà: Nếu để nước bay hơi trong không gian hữu hạn (ví dụ quá trình đun sôi nước trongnồi hơi) đồng thời với quá trình bay hơi có quá trình ngưng tụ, cả hai hệ thống pha nước và hơi ởtrong trạng thái cân bằng động Đồng thời với việc các phân tử từ pha lỏng đi vào pha hơi thì còn cócác phân tử đi từ pha hơi vào pha lỏng, đến lúc nào đó số phân tử đi ra bằng số phân tử đi vào thìhơi có mật độ lớn nhất Hơi nhận được khi đó gọi là hơi bão hoà Thực nghiệm cho thấy nhiệt độhơi bão hoà cũng là hàm số của áp suất hơi bão hoà, nhiệt độ đó cũng là nhiệt độ sôi của nước ápsuất tương ứng với tscũng được gọi là áp suất hơi bão hoà ps Hơi bão hoà được chia làm hai loại:

 Hơi bão hoà khô là hơi không còn lẫn những giọt nước nhỏ li ti chưa kịp bay hơi hết

 Hơi bão hoà ẩm là hơi còn lẫn những giọt nước nhỏ li ti chưa kịp bay hơi hết

 Hơi quá nhiệt: Khi nước đã hoá hơi hoàn toàn tách ra từng phân tử riêng biệt ở áp suất đã cho.Nếu ta tiếp tục cấp nhiệt cho hơi thì nhiệt độ của hơi sẽ tăng lên Hơi khi đó được gọi là hơi quánhiệt Vậy hơi quá nhiệt là hơi có áp suất bằng áp suất hơi bão hoà nhưng có nhiệt độ lớn hơn nhiệt

độ sôi ở áp suất ấy Hiệu số giữa nhiệt độ của hơi quá nhiệt và hơi bão hoà ở cùng áp suất gọi là độquá nhiệt

tqn= t – tsTrong thực tế, hơi nước nhận được là hơi bóo hoà ẩm vỡ hơi tiếp xỳc với nước và quỏ trỡnh tỏch lybọt hơi khỏi bề mặt thoỏng luụn kộo theo một phần nước vào khụng gian của hơi Hơi bóo hoà ẩm

cú tớnh năng kỹ thuật khụng cao thậm chớ cũn gõy hư hỏng cỏc chi tiết quan trọng trong động cơnhiệt Trong thực tế kỹ thuật thiết bị động lực hơi nước người ta sử dụng hơi quỏ nhiệt Với độ quỏ

nhiệt càng cao thì thể tích riêng của hơi quá nhiệt càng lớn, hơi quá nhiệt càng gần với trạng thái khí

lý tưởng Để nhận được hơi quá nhiệt, trong thiết bị nồi hơi, ngoài bộ phận sinh hơi còn đặt thiết bịlàm khô và bộ quá nhiệt cho hơi

1.1.2 Thí nghiệm quá trình hoá hơi đẳng áp của nước

 Giả sử trong xilanh có 1kg nước ở thể lỏng

áp suất p và nhiệt độ 00C, thể tích riêng v0,

trạng thái ban đầu của nước được biểu thị bằng

điểm a1 Sự di chuyển của pistôn trong xilanh

có thể thực hiện dễ dàng để luôn luôn đảm bảo

cho áp suất trong xilanh không đổi p = const

Nếu chúng ta cấp nhiệt cho nước mà vẫn giữ

nguyên áp suất trong xilanh không đổi thì nhiệt

độ của nước tăng lên, thể tích riêng tăng lên

(thực tế khi cấp nhiệt cho nước thể tích riêng

của nước ban đầu giảm đi, nhưng sau đó lại

tăng lên Ở áp suất bình thường, nước có mật

độ lớn nhất không phải ở 00C mà ở 40C) Khi

nhiệt độ của nước đạt đến tsthì nước trong xilanh sẽ sôi Trạng thái này được biểu thị bằng điểm b1.Như vậy đoạn a1b1biểu thị quá trình gia nhiệt của nước từ 00C đến ts Nếu ta tiếp tục cấp nhiệt thìnước đã sôi trong xilanh sẽ bắt đầu hoá hơi và quá trình hoá hơi sẽ kết thúc khi toàn bộ số nướctrong xilanh đã hoàn toàn biến thành hơi bão hoà khô Trạng thái đó được đặc trưng bằng điểm c1.Thực nghiệm chứng tỏ rằng quá trình hoá hơi được thực hiện ở nhiệt độ không đổi ts còn thể tíchtăng lên với áp suất p = const đó Như vậy trên đồ thị p-v đoạn b1c1đặc trưng cho quá trình hoá hơivừa là đẳng áp và vừa là đẳng nhiệt Các điểm trạng thái nằm trên đoạn b1c1đặc trưng cho hơi bãohoà ẩm (ví dụ điểm e1) Sau đó nếu vẫn tiếp tục cấp nhiệt thì nhiệt độ và thể tích riêng của hơi nướctăng lên, hơi nước biến thành hơi quá nhiệt Trạng thái của hơi quá nhiệt ở áp suất p = const đượcđặc trưng bằng đường nằm bên phải điểm c1(điểm d1)

 Quá trình hoá hơi đẳng áp của nước được tiến hành qua 3 giai đoạn kế tiếp nhau:

 Gia nhiệt cho nước đến nhiệt độ bão hoà ts

 Hoá hơi ở nhiệt độ ts= const

 Quá nhiệt cho hơi t > ts

 Trên đồ thị p-v các giai đoạn đó được biểu thị bằng các đoạn a1b1c1d1

 Ngược lại, nếu vẫn giữ p = const nhưng rút nhiệt từ hơi trong xilanh ra ngoài, nghĩa là tiến hànhtheo quá trình nghịch thì chúng ta nhận được lặp lại các trạng thái cũ đó là từ hơi quá nhiệt về hơi bãohoà khô rồi về hơi bão hoà ẩm và cuối cùng trong xilanh chỉ toàn là nước

Hình 1.1 Quá trình hoá hơi đẳng áp của

nước trên đồ thị p-v

v x=1

(I) L

x= const

 Nếu thực hiện các quá trình hoá hơi đẳng áp của nước ở những áp suất khác nhau, tương tự nhưtrên và nối những điểm đặc trưng tương ứng của nước ở 00C (a1, a2…an), của nước sôi (b1, b2…bn),của hơi bão hoà khô (c1, c2…cn) chúng ta có các đường cong đặc tính:

 Đường cong a1, a2…anlà đường đẳng nhiệt của nước ở 0 0C Đường này hầu như song song vớitrục tung vì nước ở thể lỏng ít bị nén

 Đường b1, b2…bnlà đường đặc trưng cho những điểm trạng thái của nước ở nhiệt độ sôi với những

áp suất khác nhau gọi là đường giới hạn dưới Các điểm trạng thái nằm trên đường này có x = 0

 3 Đường c1, c2…cnlà đường đặc trưng cho trạng thái hơi bão hoà khô ở những áp suất khác nhaugọi la đường giới hạn trên Các điểm trạng thái nằm trên đường này có x = 1

 Các đường giới hạn trên và giới hạn dưới gặp nhau tại điểm K gọi là điểm tới hạn Các thông số

ở điểm K gọi là các thông số tới hạn, chúng là những thông số nhiệt động quan trọng của vật chất.Đối với nước:

Pth= 221,29 bar, tth= 374,150K, vth= 0,00326m3/kg

Ở tại điểm K chất lỏng và hơi chỉ đơn thuần về mặt định lượng Ở nhiệt độ cao hơn tthvà áp suất lớnhơn pththì vật chất không tồn tại ở những pha khác nhau nữa mà chúng là đồng nhất

 Các đường giới hạn chia đồ thị thành 3 vùng:

Vùng I: các trạng thái nước chưa sôi ở pha lỏng

Vùng II: các trạng thái cân bằng 2 pha lỏng và hơi (hơi bão hoà ẩm)

Vùng III: các trạng thái hơi quá nhiệt

Đường giới hạn dưới gặp đường 00C ở điểm A gọi là điểm ba thể tại đó ta có:

pA= 0,0061bar, tA= 0,0010C, vA= 0,001m3/kg

Điểm ba thể đặc trưng cho trạng thái cân bằng ba pha của vật chất (rắn, lỏng, hơi)

Khi tiến hành cung cấp nhiệt ở áp suất không thay đổi, tuỳ thuộc vào trị số của áp suất mà vật từ thểrắn (tinh thể) có thể chuyển thành pha lỏng hoặc chuyển trực tiếp thành thể khí mà không qua thểlỏng Nếu áp suất tiến hành của quá trình bé hơn áp suất của điểm ba hoặc lớn hơn áp suất của điểmtới hạn thì vật chất từ thể rắn sẽ chuyển trực tiếp sang thể khí mà không qua thể lỏng Nếu áp suấttiến hành của quá trình lớn hơn áp suất của điểm ba hoặc bé hơn áp suất của điểm tới hạn thì vậtchất từ thể rắn sẽ chuyển sang thể lỏng sau đó với sự tiếp tục cấp nhiệt từ thể lỏng sẽ chuyển sangthể khí

 Xác định các đại lượng vật lý của nước và hơi nước

Đối với nước cũng như nhiều loại khí thực khác có mật độ phân tử lớn, việc xác định các thông sốtrạng thái và mối quan hệ giữa chúng không đơn giản Giá trị của các đại lượng vật lý của nước vàhơi nước được xác định bằng thực nghiệm kết hợp với lý thuyết

 Nước ở 0 0 C:

Quy ước ở mọi áp suất t = 00C, i0= 0, s0= 0

Nước chưa sôi được xác định bằng cặp (p, t), giá trị các đại lượng vật lý của nó được xác định bằngthực nghiệm, lập bảng theo (p, t) để tra cứu.

 Nước sôi

Trạng thái của nó hoàn toàn được xác định bằng một thông số (p hoặc t)

Các đại lượng vật lý của nước sôi có ký hiệu thêm dấu (’): v’, i’, s’, u’ Tổng quát kýhiệu:’ đượcxác định bằng thực nghiệm, lập bảng theo p hoặc t

 Hơi bão hoà khô

Trạng thái của nó hoàn toàn xác định bởi một thông số (p hoặc t)

Các đại lượng vật lý của hơi bão hoà khô có ký hiệu thêm dấu (”): v”, i”, s”, u” Tổng quát kýhiệu:

” được xác định bằng thực nghiệm, lập bảng theo p hoặc t

 Hơi quá nhiệt

Trạng thái của hơi quá nhiệt được xác định khi biết hai thông số thường theo p và t cũng được xácđịnh bằng thực nghiệm kết hợp với lý thuyết và lập bảng theo p và t

 Hơi bão hoà ẩm

Để xác định trạng thái hơi bão hoà ẩm người ta đưa ra khái niệm độ khô x = Gh/G với Gh là khốilượng hơi khô, G là khối lượng hơi ẩm Độ khô là tỷ số giữa khối lượng hơi khô trong 1kg hơi bãohoà ẩm

Ngược với độ khô là độ ẩm y = Gn/G = 1- x, Gnlà khối lượng hơi nước trong 1kg hơi bão hoà ẩm.Người ta coi hơi bão hoà ẩm là hỗn hợp của nước sôi và hơi bão hoà khô vì vậy thể tích của một kghơi bão hoà ẩm sẽ là tổng thể tích của x kg hơi bão hoà khô và y kg nước sôi nên:

v v

x phụ thuộc tuyến tính vàoxvì vậy xây dựng được đường độ khô x = const trên các đồ thị

 Các bảng và đồ thị của hơi nước

Do Vucalôvic lập năm 1940 có độ chính xác cao

 Bảng nước sôi và hơi bão hoà khô

Các thông số của nước sôi và hơi bão hoà khô tức là các điểm trạng thái nằm trên các đường conggiới hạn dưới và trên Thực nghiệm và lý luận cho thấy các điểm trạng thái đó được xác định chỉbằng một thông số áp suất p và nhiệt độ ts nên để thuận tiện người ta lập bảng hơi bão hoà phụthuộc vào nhiệt độ và bảng hơi bão hoà phụ thuộc vào áp suất

Trong bảng có r = i” – i’ là nhiệt ẩn hoá hơi đẳng áp đó là nhiệt lượng cần thiết cấp cho 1kg nướcsôi chuyển thành hơi bão hoà khô ở áp suất không đổi

Bảng 1.1a Nước và hơi nước bão hoà theo áp suấtp

- Bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt

Trạng thái của chúng được xác định bằng hai thông số độc lập thường theo (p, t) vì vậy bảng nàyđược lập theo hai thông số áp suất và nhiệt độ Ứng với một cặp (p, t) biểu thị một trạng thái trongbảng ghi 3 thông số theo thứ tự v, i, s Các ô phía phải đường gãy khúc đậm biểu thị trạng thái hơiquá nhiệt, phía trái đường gãy khúc biểu thị trạng thái nước chưa sôi

Bảng 1.2 Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt

is

- Các đồ thị của hơi nước

Việc dùng các bảng hơi nước để tính toán các quá trình biến đổi trạng thái của hơi nước cũng gặpnhiều khó khăn, phiền phức Do đó trong kỹ thuật, phương pháp đồ thị được sử dụng phổ biến trên cơ

sở áp dụng các biểu đồ trạng thái của hơi nước Phương pháp đồ thị có tính ưu việt hơn, cho phép xácđịnh nhanh chóng các thông số trạng thái đầu và cuối của quá trình, mà còn dễ dàng cho phép chúng

ta xác định tất cả các trạng thái trung gian Bên cạnh đó phương pháp đồ thị rất thuận tiện trong việcphân tích định tính các quá trình công tác của động cơ nhiệt Hiện nay, các đồ thị được dùng phổ biến

là các đồ thị T-s và i-s của hơi nước

 Đồ thị T-s

o Tại điểm tới hạn dTK/dsK= 0 nên điểm K là điểm cực đại của đường cong giới hạn

Hình 1.2 Qúa trình hoá hơi của nước trên

p = const

o Đồ thị cắt trục toạ độ T tại 2730K

o Dạng của đường cong giới hạn ở vùng nhiệt độ

không cao lắm giống đường cong lôgarit bởi chúng

ta có công thức gần đúng:

273ln19,

s

o Nhưng ở vùng nhiệt độ cao gần nhiệt độ tới hạn

thì đường giới hạn có dạng đường parabol đối xứng

o Đường đẳng áp của nước ở nhiệt độ không cao

lắm có thể xem như trùng với đường giới hạn dưới

bởi chúng ta có sa s’ao = 0, điểm a xem như trùng

với điểm a0 và điểm b là điểm nước sôi nên nó nằm trên đường x = 0 trong vùng hơi ẩm đườngđẳng áp trùng với đường đẳng nhiệt Trong vùng hơi quá nhiệt đường đẳng áp dạng lôgarit

o Đồ thị i-s rất thuận lợi trong việc tính toán nhiệt động đối với hơi nước vì nhiệt lượng cung cấpcho quá trình đẳng áp được xác định bằng độ dài đoạn thẳng, về trị số bằng hiệu entanpi của trạngthái đầu và trạng thái cuối, lấy trục tung là i, trục hoành là s Trên đồ thị i-s đường giới hạn dưới điqua gốc toạ độ vì i’0= 0, s’0= 0 Trên đồ thị các miền ở gốc đồ thị rất sát nhau tra cứu hay nhầm lẫnnên không sử dụng đến vì vậy ta cắt nó đi Ở điểm giới hạn đạo hàm diK/dsK= TK Trị số TK luôndương do đó điểm tới hạn nằm trên phần đi lên của đường cong giới hạn

o Các đường đẳng áp nằm trong vùng nước cũng tương tự như trên đồ thị T-s với những áp suấtkhông cao lắm chúng có thể xem như trùng với đường giới hạn dưới Trong vùng hơi ẩm thì cácđường đẳng áp trùng với các đường đẳng nhiệt và là những đoạn thẳng nghiêng đi lên từ trái sangphải tạo thành hình dải quạt Trong vùng hơi quá nhiệt những đường đẳng áp vẫn tiếp tục đi lên và

là những đường cong có bề lồi hướng về phía trục hoành

o Các đường đẳng nhiệt trong vùng hơi bão hoà ẩm trùng với đường đẳng áp, nhưng trong vùnghơi quá nhiệt là những đường cong có bề lồi hướng lên phía trên ngược chiều với đường đẳng áp

o Các đường đẳng tích là những đường cong trong vùng hơi quá nhiệt cũng như trong vùng hơi ẩmchúng có độ dốc lớn hơn đường đẳng áp, cùng chiều với đường đẳng áp

o Trong quá trình p = const thì dq = di –vdp = di suy ra qp = i2 – i1 và được biểu thị bằng đoạnthẳngi trên trục i

o Trong quá trình đoạn nhiệt (dãn nở hay nén) thì:

lk= -i

s = const

o Việc xuất hiện đồ thị i-s của hơi nước là một sự kiện có ý nghĩa to lớn làm thay đổi căn bảnphương pháp tính toán và nghiên cứu các quá trình nhiệt động Hiện nay trong kỹ thuật sử dụng và

nghiên cứu về hơi nước đều phổ biến dùng đồ thị i-s của hơi nước nhất là đồ thị của Vucalôvic xâydựng với áp suất từ 0,1300 bar và nhiệt độ từ 207000C.

 Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi nước

o Việc tính toán các quá trình biến đổi trạng thái

của hơi nước bao gồm việc xác định các nhiệt lượng

tham gia vào quá trình, công, biến thiên nội năng

o Việc xác định các thông số trạng thái của hơi

nước có thể bằng phương pháp giải tích Tuy nhiên

phương pháp này gặp nhiều khó khăn vì phương

trình trạng thái của hơi nước có dạng phức tạp, hơn

nữa cần phải biết rõ sự thay đổi thể thái của hơi

nước trong quá trình vì các công thức xác định các

đại lượng vật lý của từng loại thể thái có dạng khác

nhau Các quá trình nhiệt động của hơi nước trong

thức tế thường gặp 3 loại:

 Quá trình tiến hành hoàn toàn trong vùng hơi bão hoà

 Quá trình tiến hành hoàn toàn trong vùng hơi quá nhiệt

 Quá trình tiến hành một phần trong vùng hơi bão hoà và một phần trong vùng hơi quá nhiệt

Trường hợp sau thường gặp hơn nhiều nên dùng phương pháp giải tích sẽ khó khăn nên trong thực

tế để xác định các thông số trạng thái của hơi nước, người ta thường áp dụng phương pháp đồ thị

mà phổ biến là đồ thị i-s của hơi nước Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, khá chính xác,

có thể dùng cho bất kỳ quá trình nào mà không cần biết rõ sự thay đổi thể thái của hơi nước trongquá trính đó

 Phương pháp tính quá trình nhiệt động của hơi nước nói chung được tiến hàh như sau:

Căn cứ vào số liệu đã cho vào bài toán mà biểu diễn quá trình trên đồ thị i-s, rồi từ đó xác định cácthông số đầu và cuối của hơi nước trong quá trình Xác định biến thiên nội năng, nhiệt lượng, côngtrong quá trình

Quá trình đẳng áp

Giả sử có quá tình đẳng áp 1-2 biểu diễn trên đồ thị p-v, T-s, i-s

Hình 1.3 Đồ thị i-s của hơi nước

Biến thiên nội năng: u = (i2– p2v2) - (i1– p1v1) =i2– i1– p(v2– v1)

Công trong quá trình: l = p(v2– v1)

Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình: q =u + l = i2– i1

Quá trình đẳng tích

Xét quá trình đẳng tích 1-2 biểu diễn trên đồ thị p-v, T-s, i-s

Biến thiên nội năng: u = (i2– p2v2) - (i1– p1v1) = i2– i1– v(p2– p1)

Công trong quá trình: l = p(v2– v1) = 0

Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình: q =u + l =u

Hình 1.5 Quá trình đẳng tích của hơi nước

i

2

x = 1 1

T

K

2 1

x=1 x=1

v

K

2 1

x=0

i

x=1 x=0

p

Quá trình đẳng nhiệt

o Phương trình: T = const

o Biến thiên nội năng: u = (i2– p2v2) - (i1– p1v1) =i2– i1– (v2p2– v1p1)

o Công trong quá trình: l = q -u

o Nhiệt lượng: q = T(s2– s1)

o Chú ý: Đối với khí khí thực, hơi nước biến thiên nội năng và biến thiên entanpi trong quá trìnhđoạn nhiệt là khác 0 Trong vùng hơi bão hoà thì quá trình đẳng nhiệt cũng đồng thời là quá trìnhđẳng áp nên trên hệ toạ độ p-v quá trình đẳng nhiệt đẳng áp đó được biểu thị bằng đoạn thẳng nằmngang Trên toạ độ i-s quá trình đó được biểu thị bằng đoạn thẳng đi lên do T

o Giả sử có quá tình đẳng tích 1-2 biểu diễn trên đồ thị p-v, T-s, i-s

o Biến thiên nội năng: u = (i2– p2v2) - (i1– p1v1) =i2– i1– (v2p2– v1p1)

o Công trong quá trình: l = q -u

Hình 1.7 Quá trình đoạn nhiệt của hơi nước

x = 1 i

K

2 1

T

s

1.2 HỆ THỐNG THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG HƠI NƯỚC TÀU THUỶ

 Khái niệm chung về hệ thống thiết bị năng lượng tàu thuỷ

Hệ thống thiết bị năng lượng tàu thuỷ (HTTBNL) trên các tàu thuỷ hiện đại là một tổ hợp phức tạp baogồm các thiết bị, các máy phát công chất, các động cơ nhiệt, các cơ cấu máy và các thiết bị nhằm mụcđích tạo ra một khối lượng cần thiết cơ năng, điện năng, và nhiệt năng Nguồn năng lượng đó dùng đểđẩy tàu chuyển động, duy trì sự hoạt động của các thiết bị phục vụ, thiết bị điều khiển, thiết bị liên lạccũng như cho sự hoạt động của thuyền viên và sinh hoạt của hành khách trên tàu

 Thành phần của hệ thống thiết bị năng lượng tàu thuỷ

 Hệ động lực tàu thuỷ

 Hệ động lực tàu thuỷ (HTĐLTT) Là một tổ hợp các máy móc, thiết bị có tácdụng trực tiếp đẩytàu chuyển động, nó bao gồm: Các máy phát công chất chính, các động cơ chính như tua bin hơi,tua bin khí, động cơ Diezel và hệ trục chân vịt

 Các máy phát công chất chính có thể là nồi hơi chính, lò ga, lò phản ứng hạt nhân có nhiệm vụtạo ra công chất có nhiệt độ và áp suất cao phục vụ cho các động cơ chính

 Các động cơ chính có thể là tua bin hơi, tua bin khí, máy hơi nước hay động cơ Diezel có tácdụng biến nhiệt năng thành cơ năng để làm quay hệ trục chân vịt

 Hệ trục chân vịt có nhiệm vụ truyền mô men xoắn từ động cơ chính đến chân vịt đồng thờitruyền lực đẩy từ chân vịt đến vỏ tàu làm tàu chuyển động Hệ trục chân vịt bao gồm các đoạn trục:trục chân vịt, trục trung gian, trục lực đẩy, các thiết bị truyền động của hệ trục chân vịt như: bộ lyhợp, hộp số, thiết bị đảo chiều dùng để nối, ngắt các động cơ chính với trục trục chân vịt, làm thayđổi vòng quay hoặc đảo chiều quay của chân vịt Trên một số tàu người ta dùng phương thức truyềnđộng đặc biệt như truyền động điện,

 truyền động chân vịt biến bước, truyền động ống dạo lưu xoay

 Các tổ máy phát điện để tạo ra điện năng đáp ứng đủ nhu cầu điện năng trên tàu

 Các hệ thống phụ trên tàu bao gồm hệ thống phục vụ và hệ thống tàu bè

 Các hệ thống phục vụ hệ động lực:

Hệ thống làm mát, hệ thống không khí nén, hệ thống dầu đốt, hệ thống dầu bôi trơn, hệ thống khí xảtiêu âm, hệ thống thông gió buồng máy

 Hệ thống tàu bè:

Hệ thống cứu hoả cứu sinh, hệ thống lái, hệ thống neo cẩu, hệ thống hút khô dằn, hệ thống điềukhiển, hệ thống thông tin liên lạc

 Phân loại hệ thống thiết bị năng lượng tàu thuỷ

 Phân theo loại nhiên liệu được sử dụng cho hệ động lực của tàu:

 Hệ thống thiết bị năng lượng sử dụng than

 Hệ thống thiết bị năng lượng sử dụng dầu

 Hệ thống thiết bị năng lượng sử dụng năng lượng hạt nhân

 Phân theo loại động cơ chính của hệ động lực tàu:

 Hệ thống thiết bị năng lượng máy hơi nước

 Hệ thống thiết bị năng lượng tua bin hơi

 Hệ thống thiết bị năng lượng tua bin khí

 Hệ thống thiết bị năng lượng động cơ đốt trong

 Phân theo dạng chu trình công tác của hệ động lực

 Hệ thống thiết bị năng lượng chu trình kín (Máy hơi nước, tua bin hơi)

 Hệ thống thiết bị năng lượng chu trình hở (Tua bin khí, động cơ đốt trong)

 Phân loại theo theo phương thức truyền động của hệ trụ chân vit:

 Hệ thống thiết bị năng lượng truyền động trực tiếp

 Hệ thống thiết bị năng lượng truyền động gián tiếp

 Hệ thống thiết bị năng lượng truyền động điện

 Hệ thống thiết bị năng lượng chân vịt biến nước

 Phân loại theo số đường trụcchân vịt:

 Hệ thống thiết bị năng lượng 1 đường trục

 Hệ thống thiết bị năng lượng 2 đường trục

 Hệ thống thiết bị năng lượng 3 đường trục

 Phân loại theo loại công chất sử dụng trong hệ động lực:

 Hệ thống thiết bị năng lượng hơi nước

 Hệ thống thiết bị năng lượng khí cháy

1.2.1 Sơ đồ hệ thống thiết bị động lực hơi nước tàu thuỷ

1.2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống

Khi nồi hơi 1 hoạt động, hơi nước ban đầu được tạo ra là hơi bão hoà ẩm Hơi sau đó được đưa vào

bộ quá nhiệt 2 để biến thành hơi quá nhiệt Ở hành trình tiến của tàu, van 3 mở, van 4 đóng Hơi quánhiệt được đưa vào tua bin tiến cao áp 5 và làm quay tua bin, thông qua hộp giảm tốc 8 mà làmquay hệ trục chân vịt 9, kết quả làm cho tàu chạy Hơi sau khi qua tua bin 5 còn áp xuất và nhiệt độkhá cao tiếp tục được đưa vào tua bin tiến thấp áp 6 và sau đó được đưa đến bầu ngưng 11, ở đây

nó nhả nhiệt cho nước làm mát, hoá lỏng rồi được bơm cấp trở về nồi hơi 1 kết thúc một chu trìnhcông tác

 Ở hành trình lùi của tàu van 3 đóng van 4 mở, hơi nước đi vào tua bin lùi 7 làm quay hệ trụcchân vịt nhưng theo chiều ngược lại, sau đó hơi được đi qua bầu ngưng 11, hoá lỏng rồi được bơmtrở lại nồi hơi

 Chu trình này là chu trình hồi nhiệt trích hơi, hơi được trích một phần từ thân tua bin cho đi quacác thiết bị hâm 14, 15 và17, hâm nóng nước cấp trước khi cấp nước trở lại nồi hơi, mục đích đểtăng hiệu suất nhiệt đồng thời tránh ứng suất nhiệt cho nồi hơi Để tăng hiệu quả của quá trình ngư-

ng tụ, cũng như hiệu suất nhiệt của chu trình người ta hút chân không bầu ngưng bằng bơm hútchân không 10

 Để tránh tác hại ăn mòn nồi hơi thì nước cấp trước khi cấp vào nồi hơi phải được khử khí thôngqua bộ khử khí 15

1213

14151617

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý hệ động lực hơi nước

 Trong quá trình làm việc có một lượng hơi nước mất đi, một phần do lắp ghép không kín, do sửdụng không hoàn lại, do xả đi Do đó cần phải bổ sung một lượng nước cấp thường xuyên cho nồivào bằng cách bơm cấp vào bộ hâm nước 14 hay cấp trực tiếp vào nồi hơi nước đã được làm sạch

và được hâm nóng nhờ bộ hâm nước tiết kiệm

1.3 HỆ THỐNG THIẾT BỊ NỒI HƠI

1.3.1 Sơ đồ nguyên lý và công dụng của các thiết bị

Trên hình 1.19 Giới thiệu sơ đồ hệ thống nồi hơi tàu thuỷ nó bao gồm các bộ phận chính sau đây:Nồi hơi, thiết bị buồng đốt, thiết bị điều khiển, thiết bị kiểm tra, thiết bị thông gió, thiết bị cấp nước

và lọc nước, thiết bị khử khí, thiết bị cung cấp chất đốt, thiết bị tự động điều chỉnh quá trình làmviệc của nồi hơi

 Một số bộ phận chính của nồi hơi

 Bầu hơi (1) có dạng hình trụ tròn, là không gian chứa nước và hơi, có khoét các hàng lỗ để lắpcác cụm ống nước sôi

 Bầu nước (7) có dạng hình trụ tròn, có chiều dài tương đương bầu hơi nhưng có đường kính nhỏhơn, là không gian chứa nước, có khoét các hàng lỗ để lắp các cụm ống nước sôi

 Bộ hâm nước tiết kiệm (12) là thiết bị tận dụng nhiệt năng của khói lò để hâm nóng nước cấptrước khi cấp cho nồi hơi (thực nghiệm cho biết cứ tăng nhiệt độ nớc cấp lên 80C, hiệu suất nồi hơi

sẽ tăng 1)

 Bộ sưởi không khí tiết kiệm (13) là một thiết bị tận dụng nhiệt năng của khói lò để sấy nóngkhông khí trước khi cấp vào buồng đốt của nồi hơi nh vậy sẽ làm tăng hiệu quả của quá trình cháy,làm tăng hiệu suất nồi hơi (thực tế cứ giảm nhiệt độ khí lò xuống 200C thì giảm được 1 khối l-ượng chất đốt)

 Thiết bị thông gió gồm có các quạt gió có nhiệm vụ cung cấp đủ không khí sạch phục vụ cho quátrình cháy của nhiên liệu trong buồng đốt nồi hơi và hút được hết khí lò ra ngoài

 Thiết bị cấp nước bao gồm các thiết bị lọc nước, các bơm nước cấp có áp suất cao, các bầungưng, đảm bảo cung cấp đầy đủ nước sạch cho nồi hơi sau khi đã lọc sạch và hâm nóng đến nhiệt

 Thiết bị kiểm tra, thiết bị điều khiển

Gồm các đồng hồ đo áp suất, các nhiệt kế, kính

thuỷ, van an toàn, van xả cặn, van xả khí, hệ thống

điện điều khiển phục vụ cho công tác theo dõi, kiểm

tra và điều khiển quá trình làm việc của nồi hơi

Điều khiển quá trình cháy, điều chỉnh mức nước

nồi, điều chỉnh nhiệt độ hơi và điều chỉnh các quá

trình làm việc của nồi hơi

1.3.2 Nguyên lý hoạt động và đặc điểm

Trên hình 1.2 giới thiệu sơ đồ nguyên lý nồi hơi

ống nước tuần hoàn tự nhiên: Nhiên liệu đốt cháy

trong buồng đốt tạo ra khí lò có nhiệt độ cao, khí lò

sẽ quét qua các bề mặt hấp nhiệt của cụm ống nước

sôi số 1 và số 2 Do cụm ống 1 bố trí gần buồng

đốt, tiếp xúc với khí lò có nhiệt độ cao hơn nên ở

cụm ống này cường độ bốc hơi mạnh hơn rất nhiều so với ở cụm ống số 2 Do đó tỷ trọng hỗn hợpnước và hơi ở cụm ống số 1 nhỏ hơn nhiều so với ở cụm ống số 2, do sự chênh lệch tỷ trọng này màhình thành nên mạch tuần hoàn của nồi hơi

1.4 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA NỒI HƠI

1.4.1 Sản lượng nồi hơi D N

Là lượng hơi sinh ra trong một đơn vị thời gian, khi nồi hơi làm việc ổn định lâu dài ở 100% tải,(kg/h, T/h)

Trong đó:

DX: lượng hơi bão hoà đem đi sử dụng trực tiếp;

 Sản lượng hơi lớn nhất D MAX: là lượng hơi lớn nhất do nồi hơi sinh ra khi nồi hơi làm việc quátải trong một thời gian qui định cho từng loại nồi hơi

2 1

3 4 5 6

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống nồi hơi

Dma x=(125140) % DN

1.4.2 Áp suất nồi hơi

 Áp suất thiết kế PTK: Là áp suất dựa trên đó thiết kế ra nồi hơi

 Áp suất làm việc PLV: Là áp suất định mức khai thác nồi hơi

 ÁP suất hơi bão hoà PN: Là áp suất của hỗn hợp nước và hơi tác dụng lên bầu nồi và thành ống.Dựa vào PN ta sẽ tìm được nhiệt độ sôi tN

 ÁP suất hơi quá nhiệt PQN: Là áp suất hơi đo tại cửa ra của bộ quá nhiệt, thường áp suất hơi quánhiệt thấp hơn áp suất hơi bão hoà, PQN= PN - (0,10, 4) Mpa

 Áp suất hơi giảm nhiệt PGN: Là áp suất hơi đo tại cửa ra của bộ giảm nhiệt thường nhỏ hơn ápsuất hơi quá nhiệt

 Áp suất nước cấp PNC: Là áp suất của nước cấp do bơm cấp nước tạo ra, áp suất này phải caohơn áp suất nồi, thường PNC= PN+ (0,30,6)Mpa

 Áp suất mở van an toàn PAT: Thường PAT= 1,05.PLV

1.4.3 Nhiệt độ hơi

 Nhiệt độ hơi bão hoà tN: Là nhiệt độ của nước sôi và hơi bão hoà trong bầu hơi của nồi

 Nhiệt độ hơi quá nhiệt tQN: Là nhiệt độ của hơi đo tại cửa ra của bộ quá nhiệt

 Nhiệt độ nước cấp tNC: Là nhiệt độ của nước cấp nồi, đo tại cửa ra của bộ hâm nước cấp,0C

 Nhiệt độ khói lòKL: Là nhiệt độ của khí lò ra khỏi nồi hơi

 Nhiệt độ không khí cấpKK: Là nhiệt độ của không khí cấp vào buồng đốt

1.4.4 Nhiệt lượng có ích: Q CI (KJ/h)

Nhiệt lượng dùng để tạo ra các loại hơi mà nồi hơi sinh ra trong 1 giờ

QCI= DQN( iQN– iNC) + DGN( iGN– iNC ) + DX( iX– iNC) (1.4)Trong đó: iQN, iGN, iXvà iNClà entanpi của hơi quá nhiệt, hơi giảm nhiệt, hơi bão hoà và của nướccấp

1.4.5 Nhiệt lượng cấp vào, Q CV (KJ/h)

Là nhiệt lượng tạo ra do đốt cháy hoàn toàn chất đốt trong buồng đốt nồi hơi trong thời gian 1 giờ

Trong đó:

B: lượng chất đốt cấp vào nồi trong 1 giờ, (kg/h);

QHP: nhiệt trị thấp của nhiên liệu, (kJ/kg);

1.4.6 Hiệu suất nồi hơi :  NH ()

Là tỷ số giữa nhiệt lượng có ích của nồi hơi trên nhiệt lượng cấp vào

h

CI

Q B

Q

h

NC X X NC GN GN NC

QN QN

Q B

I I D I

I D I

I D

)(

)(

)

(1.6)

1.4.7 Nhiệt tải dung tích buồng đốt q V (kJ/m 3 h)

Là lượng nhiệt do nhiên liệu cháy trong buồng đốt tạo ra ứng với 1 m3thể tích buồng đốt trong mộtgiờ

BD

P H

Q B

Đối với nồi hơi đốt than qV nhỏ, để nhiệt độ khí lò không quá cao có thể làm nóng chảy chất trobám vào thành ống, đối với nồi hơi đốt dầu thì qVlớn hơn nhưng vẫn đảm bảo gạch chịu lửa không

bị hỏng, qV= (2  3).106(kJ/m3h)

1.5 PHÂN LOẠI NỒI HƠI TÀU THUỶ

1.5.1 Phân theo hình thức quét khí lò

 NHON là nồi hơi mà hỗn hợp nước và hơi đi trong

ống, khí lò quét bên ngoài ống

 NHOL là nồi hơi mà khí lò đi trong ống, hỗn hợp

nước và hơi đi bên ngoài ống

 NHOL phân thành 2 loại:

 NHOL lưu động cùng chiều

 NHOL lưu động ngược chiều.(Hình 1.20)

 Nồi hơi liên hợp ống lửa- ống nước

1.5.2 Phân theo công dụng của nồi hơi

 Nồi hơi chính là nồi hơi mà hơi do nó sinh ra

dùng để cung cấp cho các động cơ chính chạy bằng hơi nước (Máy hơi nước, tua bin hơi), dùng chocác máy phụ và các nhu cầu hâm sấy và sinh hoạt trên tàu

 Nồi hơi phụ là nồi hơi mà hơi do nó sinh ra dùng để cung cấp cho các máy phụ, phục vụ cho các nhucầu hâm sấy và cho một số nhu cầu khác trên tàu

1.5.3 Phân theo áp suất của nồi hơi

 NH áp suất thấp PN< 2,2 Mpa

 NH áp suất trung bình PN= 2,2 - 4 Mpa

 NH áp suất cao PN= 4 - 6,4 Mpa

 NH áp suất rất cao PN> 6,4 MP

1.5.4 Phân theo sự tuần hoàn của hỗn hợp nước và hơi

 Nồi hơi tuần hoàn tự nhiên là nồi hơi mà sự tuần hoàn của hỗn hợp nước và hơi là do sự chênhlệch về tỉ trọng của hỗn hợp nước và hơi ở các cụm ống gây nên

 Nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức là nồi hơi mà sự tuần hoàn của hỗn hợp nước và hơi ở trong nồihơi nhờ tác dụng của ngoại lực, có 2 loại:

8

7 6 5 4 3 2 1 9 10

11

Hình 1 10 Sơ đồ cấu tạo nồi hơi ống lửa

lưu động ngược chiều

 NH tuần hoàn cưỡng bức nhiều lần.

 NH tuần hoàn cưỡng bức lưu động thẳng

1.5.5 Phân theo phương pháp thông gió của nồi hơi

 Nồi hơi thông gió tự nhiên, nếu việc thông gió của nồi hơi là do sự chênh lệch về tỷ trọng củakhí lò gây nên

 Nồi hơi thông gió cưỡng bức, nếu việc thông gió của nồi hơi được thực hiện nhờ quạt hút và quạt đẩy

1.5.6 Phân theo nhiên liệu dùng cho nồi hơi:

 Nồi hơi đốt than

 Nồi hơi đốt dầu

 Nồi hơi khí thải

1.5.7 Phân loại theo kết cấu nồi hơi.

 NHON thẳng đứng

 NHON nằm ngang

 NHOL chữ D nghiêng

 NHON 3 bầu đối xứng

 NHON 3 bầu không đối xứng

 NHOL ống nằm ngang

 NHOL ống đứng

 NH liên hợp ống lửa – ống nước

1.5.8 Phân theo áp suất bên trong buồng đốt nồi hơi

 Nồi hơi không tăng áp, là nồi hơi mà áp suất bên trong buồng đốt và bên ngoài môi trường chênhnhau ít

 Nồi hơi tăng áp, là nồi hơi mà áp suất bên trong buồng đốt lớn hơn áp suất bên ngoài

1.6 CHẤT ĐỐT SỬ DỤNG CHO NỒI HƠI

1.6.1 Khái niệm, yêu cầu đối với nhiên liệu nồi hơi tàu thuỷ

Nhiên liệu là những hợp chất hữu cơ tự nhiên hay nhân tạo, khi hoá hợp với oxi của không khí cótoả ra nhiệt lượng lớn

 Yêu cầu đối với nhiên liệu:

 Lượng sinh nhiệt cao, để tăng tải trọng có ích và tầm hoạt động của tàu

 Không tự bén cháy trong các hầm chứa trên tàu Bền, khó vỡ vụn thành cám khi vận chuyển,không bị biến chất

 Ít tro bụi, ít lưu huỳnh và ít độc hại

 Giá rẻ vì chi phí về chất đốt chiếm tới 30% chi phí khai thác tàu thuỷ

1.6.2 Các thành phần nguyên tố, thành phần khối lượng của nhiên liệu

 Thành phần nguyên tố:

Là thành phần các nguyên tố có trong nhiên liệu, nếu coi nhiên liệu là hỗn hợp cơ học của cácnguyên tố Trong nhiên liệu thể rắn và thể lỏng gồm có các nguyên tố cháy được như các bon (C),hiđrô (H), lưu huỳnh dạng bốc (Sb), các chất không cháy được như nitơ (N), lưu huỳnh ở dạngkhông bốc, chất tro (A), chất ẩm (W), chất trợ cháy ô xy(O) Lưu huỳnh bốc được ở dạng sunfua vàkhông bốc được ở dạng sunfát Thành phần chất cháy được càng cao thì nhiệt trị của nhiên liệu cànglớn

 1 kg các bon cháy hoàn toàn toả ra nhiệt lượng 33900 (kJ/kg)

 1 kg hiđrô cháy hoàn toàn toả ra nhiệt lượng 122500 (kJ/kg)

 1 kg lưu huỳnh Sb cháy hoàn toàn toả ra nhiệt lượng 8900 (kJ/kg)

Tuy nhiên lưu huỳnh khi cháy sẽ tạo ra SO2và SO3bay lên cùng với khói lò có chứa hơi nước, khikhói bay đến những nơi có nhiệt độ thấp hơn nhiệt điểm sương, hơi nước ngưng tụ sẽ kết hợp vớikhí SO2và SO3 tạo ra các axít gây ăn mòn các bề mặt kim loại đặc biệt đối với bề mặt các bộ hâmnước tiết kiệm và bộ sưởi không khí, do đó hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu càng thấp càngtốt

 Thành phần khối lượng chất làm việc, chất khô, chất cháy:

 Thành phần chất làm việc: là thành phần khối lượng của các chất có trong nhiên liệu, lưu huỳnhkhông bốc nằm trong chất tro A

Bảng 1.3: Bảng qui đổi các thành phần khối lượng của nhiên liệu.

Chất đã biết Hệ số cần nhân khi tính toán

Chất làm việc Chất khô Chất cháy được

1.6.3 Các đại lượng đặc trưng của chất đốt

 Nhiệt trị thấp của nhiên liệu: là nhiệt lượng do 1 kg chất đốt cháy hoàn toàn tạo ra, không kể đếnlượng nhiệt toả ra do hơi nước ngưng tụ Như vậy nhiệt trị thấp của nhiên liệu chính là nhiệt lượng

do 1 kg chất đốt cháy hoàn toàn toả ra trong buồng đốt nồi hơi Kí hiệu: QHP, (kJ/kg)

 Nhiệt trị cao của nhiên liệu: là nhiệt lượng do 1 kg chất đốt cháy hoàn toàn tạo ra, có kể đếnlượng nhiệt toả ra do hơi nước ngưng tụ Như vậy nhiệt trị cao của nhiên liệu chính là nhiệt lượng

do 1 kg chất đốt cháy hoàn toàn toả ra trong nhiệt lượng kế Kí hiệu: QP

B, (kJ/kg)

Biết rằng để làm bốc hơi 1 kg nước thành hơi hoàn toàn phải cấp nhiệt lượng là 2500 kJ, lượng hơinước do 1 kg chất đốt cháy tạo ra là (9 HL+ WL)/100 Vậy khi đốt cháy 1kg chất đốt trong lò mất đilượng nhiệt là 2500( 9HL+ WL)/100 Ta có thể tính nhiệt trị của nhiên liệu theo công thức Men đê

H(kcal/kg)

1.6.4 Các đại lượng đặc trưng của dầu đốt lò

Khái niệm về dầu đốt lò: dầu đốt lò của nồi hơi tàu thuỷ là dầu nặng loại tốt ít lưu huỳnh thường làdầu ma dút và dầu nặng, (FO)

 Thành phần khối lượng của dầu:

Các bon, C = 85 %

 Dễ cơ giới hoá, tự động hoá hơn nồi hơi đốt than, giảm số thợ máy trực ca.

 Nồi hơi đốt dầu có tính cơ động cao hơn nồi hơi đốt than

 Chi phí khai thác của nồi hơi đốt dầu cao hơn so với nồi hơi đốt than

1.6.5 Các đại lượng đặc trưng của dầu đốt lò

Chất lượng của nhiên liệu được quyết định bởi nhiệt trị, độ nhớt, điểm bén cháy, điểm đông đặc,hàm lượng tro, hàm lượng nước, hàm lượng lưu huỳnh, hàm lượng a xit, hàm lượng kiềm và tỷtrọng của nhiên liệu

 Độ nhớt: Là một đặc tính quan trọng của nhiên liệu, nó ảnh hưởng tới tính cháy và tính lưu độngcủa nhiên liệu Loại dầu có độ nhớt cao thì rẻ tiền nhưng khó vận chuyển chất lượng phun sươngkém và cháy không được khoẻ, để khắc phục được điều này nhiên liệu nặng cần phải được hâmnóng trước khi bơm chuyển và lọc cũng như trước khi phun vào buồng đốt nồi hơi

 Độ nhớt Engole (0E) là tỷ số giữa thời gian chảy của 200 mml dầu ở 500C, 750C, 800C, 1000Cqua ống nhỏ giọt kế Engole với thời gian chảy của 200 mml nước ở 20 0C qua ống nhỏ giọt ấy, nó

Điểm đông đặc: Dầu nhiều pha ra phin dễ đông đặc, điểm đông đặc trên +50C, có loại tới 30

0C cho nên chỉ dùng loại dầu ít pha ra phin

 Điểm bén và điểm bén cháy:

 Điểm bén là nhiệt độ thấp nhất sinh ra hơi dầu trên bề mặt, nếu có tia lửa hở hơi nhiên sẽ béncháy khi mất tia lửa sẽ tắt ngay

 Điểm bén cháy là nhiệt độ thấp nhất để khi bén lửa xong, cắt nguồn lửa đi có thể tiếp tục cháythêm 5 giây, thường điểm bén cháy cao hơn điểm bén 10  600C Để đề phòng hoả hoạn điểm bénnên cao hơn 800C.

4 20

1.7 QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU

1.7.1 Khái niệm cháy hoàn toàn và cháy không hoàn toàn

 Cháy hoàn toàn là quá trình đốt cháy nhiên liệu với oxi của không khí, mà các sản phẩm của quátrình cháy không thể oxi hoá được nữa như CO2, H2O, SO2…

 Cháy không hoàn toàn là quá trình đốt cháy nhiên liệu với oxi của không khí, mà các sản phẩmcủa quá trình cháy vẫn có thể oxi hoá được nữa như CO, CH4, SO

 Điều kiện để cháy hoàn toàn

 Cung cấp đủ lượng không khí cho quá trình cháy, quá ít hay quá nhiều đều không có lợi, thiếukhông khí thì không đủ lượng ô xi cung cấp cho phản ứng cháy và thừa không khí thì sẽ làm giảmnhiệt độ buồng đốt xuống

 Phải tạo được sự hoà trộn tốt không khí với nhiên liệu, đối với nhiên liệu thể rắn thì tốt nhất lànghiền nhỏ rồi phun vào, với nhiên liệu thể lỏng thì phải được phun vào buồng đốt dưới dạngsương mù hoá, áp dụng biện pháp tạo dòng xoáy lốc trong buồng đốt và hệ thống cung cấp gió nên

có hai cấp (sơ cấp và thứ cấp)

 Nhiệt độ trong buồng đốt phải đủ cao 1000 1500 0C và phân bố đều đặn để làm cho chất đốtđược nung nóng nhanh chóng đến nhiệt độ bén cháy (thường nhiệt lượng mà chất đốt hấp thụ trướckhi bén cháy để nung nóng, sấy khô là 5 10 % nhiệt lượng mà nó toả ra sau khi cháy) Nhiệt độbuồng đốt quá thấp sẽ kéo dài thời gian phản ứng cháy và quá trình cháy sẽ không ổn định

 Buồng đốt phải có đủ dung tích và phải có kết cấu phù hợp

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy:

Quá trình cháy bao gồm 2 giai đoạn đó là giai đoạn chuẩn bị cháy và giai đoạn cháy theo phản ứnghoá học

 Tốc độ cháy trong giai đoạn chuẩn bị

 Đây là giai đoạn sấy khô, nung nóng chất đốt đến nhiệt độ bén cháy, cũng là giai đoạn hoá khíhoặc tách chất bốc ra khỏi chất cốc, chuyển hoá và xắp xếp lại các phân tử chất đốt với ô xi hìnhthành các hợp chất trung gian của quá trình phản ứng, hoà trộn đều chất đốt với không khí, giaiđoạn này là giai đoạn cấp nhiệt, tốc độ cháy trong giai đoạn này rất chậm và phụ thuộc các yếu tốsau đây:

 Loại chất đốt có nhiều chất bốc, nồng độ của thành phần cháy cao, kích thước của hạt nhiên liệunhỏ thì thời gian chuẩn bị cháy càng ngắn và ngược lại

 Nhiệt độ buồng đốt

 Kiểu buồng đốt

 Vị trí tương đối giữa chất đốt đang cháy với chất đốt mới cấp vào

 Nhiệt độ không khí cấp và lượng không khí cấp vào buồng đốt

 Áp suất trong buồng đốt càng cao nhiệt độ bén cháy càng thấp, giai đoạn chuẩn bị cháy càng ngắn

 Tốc độ chuyển động tương đối giữa phần tử nhiên liệu và không khí, tốc độ càng lớn thì sự hoàtrộn càng nhanh đặc biệt trong lưu động xoáy lốc

 Tốc độ cháy trong giai đoạn cháy theo phản ứng hoá học phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:

 Loại nhiên liệu

 Nồng độ các chất tham gia phản ứng cháy

 Nhiệt độ của phản ứng cháy

 Tốc độ lưu động của không khí

ra lượng ô xy, sau đó tính ra lượng không khí lý thuyết và cuối cùng tính ra lượng không khí cấp lò

1 C L m3

tc O2và tạo ra

100

.866,

1 C L m3

tckhí CO2.2H2+ O2= 2H2O

o 4 kg H2cháy hoàn toàn cần 22,4 m3

5 H L m3

tc O2và tạo ra

100

.2,

0 S L m3

tc O2và tạo ra

100

.7,

0 S m3tckhí SO2

 Tính thể tích không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg dầu

 Thể tích khí oxi qui về điều kiện tiêu chuẩn, OLT(m3tc/kg)

100100

.7,0100

.6,5100

.866,

429,1

V 1,866 5,6 0,7 0,7

21

121

V 10 1,293

804,0

ALT

1.7.3 Tính thể tích khí lò V KL khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg dầu

Trong tính nhiệt, tính thông gió cần biết lượng khí lò tạo ra để tính entanpi và lưu tốc của khí lòquét qua các bề mặt hấp nhiệt Trong khí lò thường có các sản phẩm cháy như khí CO2, CO, SO2,

N2, O2, H2O, H2, CH4…Tuy nhiên lượng khí H2và CH4rất nhỏ có thể bỏ qua

 Để tính lượng khí lò ta có thể tính theo hai cách:

Dựa vào hàm lượng các chất khí có trong khí lò

Dựa vào các phương trình phản ứng cháy

 Tính V KL dựa vào các phương trình phản ứng cháy, (m 3

tc / kg)

VKL= VCO2+ VCO+VSO2+ VN2+ VH2O+ (-1)VKKALT (1.25)Trong đó:

 VCO2, VCO, VSO2, VN2, VH2O: là thể tích khí CO2, CO, SO2, N2và hơi nước lý thuyết có trong khí

lò ứng với hệ số không khí thừa=1

 Thể tích khí CO2, CO, SO2có trong sản phẩm cháy, (m3

tc/ kg)

100866.1

2

L CO

1007,0

2

L B

79,0

2

L KLT

KK

 Tỷ trọng của khí N2ở điều kiện tiêu chuẩn là 1,251 (kg/m3tc)

 Thể tích hơi nước có trong khí lò do bốn nguồn đem vào là không khí ẩm, có trong nhiên liệu, do

H2cháy tạo ra và do súng phun mang vào (WPH), (m3

tc/kg)

,0

12

 Tỷ trọng của hơi nước ở điều kiện tiêu chuẩn là 0,804 kg/m3tc

 WKK: Khối lượng hơi nước lý thuyết do không khí ẩm mang vào, (kg/kg);

WKK= d.10-31,293.VKKKLT



100

9H l : Khối lượng hơi nước do H

2có trong nhiên liệu cháy tạo ra, (kg/kg);



100

L

W : Khối lượng hơi nước do nhiên liệu chứa ẩm cháy tạo ra, (kg/kg);

 WSP: Khối lượng hơi nước dùng cho súng phun sử dụng, (nếu súng phun hơi nước), (kg/kg)

 Súng phun hơi nước WSP= 0,30,7 (kg/ kg)

 Súng phun hơi nước áp lực WPH= 0,050,1 (kg/kg)

 Tính V KL dựa vào kết quả phân tích khí lò

 Xét với khí lò không chứa hơi nước

RO V

CO V

V

CO

 CO là tỷ lệ thể tích của khí CO được xác định bằng phép phân tích khí lò

KH KL

CO RO V

V V CO

V V

V KH RO CO



2 2

VRO2+ VCO= 1,866100.

l

C

).(

100

.866,1

2 CO RO

C

 Thể tích hơi nước có trong sản phẩm cháy, (m3

9804

,0

12

S C

V

100100

9804

,0

1)375,0(0889,0

2

(1.27)

 Khối lượng G KL và tỷ trọng khói lò  KL 0 ở điều kiện tiêu chuẩn

 Khối lượng khói lò GKL bằng tổng khối lượng không khí ẩm thực tế cấp vào với khối lượngnhiên liệu đã trừ đi phần chất tro xỉ

KL

KL KL

V

G

0



 Phân áp suất của các chất khí trong buồng đốt

Khi tính nhiệt nồi hơi phải biết phân áp suất khí lò để xác định hệ số giảm yếu bức xạ và hệ số traođổi nhiệt đối lưu Với nồi hơi không tăng áp thì coi áp suất của khí lò PKL= ata

V

2 Tương tự ta cũng tính được phân áp suất của các khí còn lại

1.8 CÂN BẰNG NHIỆT NỒI HƠI

1.8.1.Các tổn thất nhiệt nồi hơi tàu thuỷ

Khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg chất đốt, nhiệt lượng toả ra là QP

Htrong đó chỉ có một phần Q1 dùng

để tạo ra các loại hơi, còn lại là các tổn thất nhiệt, có các loại tổn thất sau đây:

 Q2: Tổn thất do khói lò mang ra ngoài

 Q3: Tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học

 Q4: Tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học

 Q5: Tổn thất do toả nhiệt ra môi trường xung quanh

 Q6: Tổn thất do tro xỉ nóng đem ra ngoài

 QP

H= Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6

1

6 5

4 3

2

H P H P H P H P H P H

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

Q

 Tổn thất nhiệt do khói lò đem đi, (q 2 , % )

o Khói lò ra khỏi ống khói có nhiệt độ khá cao so với nhiệt độ không khí cấp lò do đó tổn thấtnhiệt q2có thể từ 525 %

o Đối với nồi hơi chính KL= ( 160200 )0C

o Đối với nồi hơi phụ KL3000C

)

(

o KL: Nhiệt độ của khói lò,0C

o KK: Nhiệt độ của không khí ngoài,0C;

o Q2: Là một bộ phận của entanpi khí lò nên:

o Đối với nồi hơi có bộ sưởi không khí tiết kiệm

Q2= IKL– QKK– QCĐ- QH– QSKTrong đó :

o IKL: Entanpi khí lò ra khỏi ống khói, (kJ/kg);

o QKK: Nhiệt lượng do không khí lạnh cấp vào buồng đốt, (kJ/kg);

o QKK=.VKKALT.CKKA.KK

o CKKA= CKKK+ 0,00161d CH2O

o : hệ số không khí thừa

o QH: Nhiệt lượng của hơi nước do súng phun đem vào

o Với súng phun cơ học Qh= 0

o QH= gH.(iH– 2500 )

o gH: Lượng hơi nước dùng để phun 1 kg nhiên liệu

o IH: Entanpi hơi nước cấp vào súng phun

o 2500 : Entanpi của hơi bão hoà với phân áp suất hơi trong khí lò và qui về 00C

o QCĐ: Nhiệt lượng vật lý của chất đốt có nhiệt độ tCĐ0C

o QCĐ= CCĐ.tCĐ

o CCĐ: Nhiệt dung riêng của chất đốt ở nhiệt độ tCĐ

o TCĐ: Nhiệt độ của chất đốt (tCĐbằng nhiệt độ môi trường hoặc 90950C)

CCĐ= 1,737 + 0,025.tCĐ

QSK=.VKKALT.( IKKS–IKK)

N H P

 Đảm bảo hệ số không khí thừathích hợp, dùng hệ thống tự động điều chỉnh quá trình cháy

 Thiết bị buồng đốt phải được điều chỉnh tốt, đốt lò đúng qui cách

 Bố trí các tấm dẫn khí để khói lò quét khắp các bề mặt hấp nhiệt

 Các bề mặt hấp nhiệt luôn phải vệ sinh muội bẩn để đảm bảo hệ số truyền nhiệt ít bị thay đổi

 Tuy nhiên nhiệt độ khí lò ra khỏi ống khói không thể quá thấp đặc biệt là thấp hơn nhiệt độ điểm sương

 Tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học q 3

 Đối với nồi hơi cũ, thiết bị buồng đốt cũ, cách đốt lò không phù hợp, hệ số không khí thừanhỏhơn lí thuyết thì hiện tượng cháy không hoàn toàn về mặt hoá học sẽ ảnh hượng lớn

 Đối với nồi hơi mà thiết bị buồng đốt còn tốt, cách đốt phù hợp q3= 0,51 %

 Đối với nồi hơi mà thiết bị buồng đốt cũ, cách đốt không phù hợp q3=19 %

Q3= QCO.VCO

o QCOlà nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy 1 m3TCkhí CO

o VCOlà thể tích khí CO qui về điều kiện tiêu chuẩn

o Gần đúng, q3= M .CO (%) thường q3= 3,2 .CO

o CO : là thành phần thể tích khí CO có trong sản phẩm cháy

o Khi tải là 100 % có thể chọn q3như sau:

o NHOL – q3=1,52,3 %

o NHON – q3= 0,51,5 %

 Sự phụ thuộc của tổn thất nhiệt q2 và q3 vào hệ số

khí thừađược biểu diễn trên đồ thị (1.11)

Nhận xét: q2phụ thuộc nhiều vào, q3ít phụ thuộc vào

nên có thể chọn q3chung cho tất cả chế độ tải của nồi hơi

 Tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học q 4 :

o Tổn thất cháy không hoàn toàn về mặt cơ học không có ở nồi hơi đốt dầu Nồi hơi đốt than

q4=q4L+ q4M+ q4B+ q4X

o q4Llà tổn thất do than chưa cháy hết đã lọt qua ghi lò

o q4Mlà tổn thất do than tạo thành muội bám vào bề mặt hấp nhiệt

o q4blà tổn thất do than bay theo gió ra ngoài

o qXlà tổn thất do xỉ bọc than

khi tính toán q4có thể chọn theo kinh nghiệm

 Tổn thất do toả nhiệt ra môi trường xung quanh q 5 :

Tổn thất này phụ thuộc kích thước nồi hơi, phụ thuộc môi trường xung quanh

q5= 25 %, nồi hơi phụ đốt dầu 1,52,5 %

 Tổn thất nhiệt do tro xỉ nóng đem ra ngoài q 6

Với nồi hơi đốt dầu q6= 0

 Hiệu suất nồi hơi , lượng tiêu dùng chất đốt mỗi giờ

(%),

I I

o NT: Là hiệu suất nồi thực tế

o N : Là hiệu suất nồi tính theo lý thuyết

o DHSP: Là lượng hơi nước dùng cho súng phun trong 1 giờ (kg hơi/h)

o IH: Là entanpi hơi nước dùng cho súng phun (kJ/kg hơi)

o INC: Là entanpi nước cấp nồi (kJ/kg)

o B: Lượng nhiên liệu cấp cho nồi trong 1 giờ (kg/h)

o QP

H: Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, (kJ/kg)

o Thường NT =N– (410) %

Bảng 1.5 Hiệu suất một số loại nồi hơi

NHOL không có BSH và BSKKTKNHOL có BSH , BSKKTK và BHNTKNHON không có BSH và BSKKTKNHON có BSH , BSKKTK và BHNTKNHON nhiệt tải cao

0,65  0,750,75  0,850,70  0,750.80  0,950,75  0,80Lượng tiêu hao chất đốt thực tế trong 1 giờ:

h tt

Q B

1



1.8.2 Phương trình cân bằng nhiệt nồi hơi:

 Nhiệt lượng mang vào buồng đốt xét với 1 kg nhiên liệu:

QMV= QP

Trong đó:

o QP

H: nhiệt trị thấp của nhiên liệu, (kJ/kg)

o QCĐ: nhiệt lượng vật lý của chất đốt, (kJ/kg)

o QKK: nhiệt lượng do không khí lạnh đem vào,(kJ/kg)

o QH: nhiệt lượng do hơi nước đem vào, (kJ/kg)

o Nồi hơi không có bộ sưởi khí QSK= 0

 Nhiệt lượng có ích:

Q1= QBX+ QĐL+ QQN+ QHN

o QBX: nhiệt lượng bức xạ tại khu vực buồng đốt, (kJ/kg)

o QĐL: nhiệt lượng trao đổi tại các bề mặt hấp nhiệt đối lưu, (kJ/kg)

o QQN: nhiệt lượng dùng để quá nhiệt cho hơi, (kJ/kg)

o QHN: nhiệt lượng dùng để hâm nước cấp, (kJ/kg)

Câu hỏi ôn tập

1 Vẽ sơ đồ, giải thích các ký hiệu và nêu nguyên lý hoạt động của hệ thống nồi hơi tàu thuỷ

2 Trình bày các thông số cơ bản của nồi hơi

3 Nêu các ứng dụng nồi hơi phụ trên các tàu thuỷ

4 Nêu các ứng dụng nồi hơi khí thải trên các tàu thuỷ

5 Khi nào thì sử dụng nồi hơi phụ, nồi hơi khí thải

6 Nêu những yêu cầu đối với nồi hơi phụ trên các tàu thuỷ

7 Tại sao phải tính toán lượng không khí cấp lò

8 Thiết lập biểu thức tính lượng khí cấp lò

9 Tại sao phải tính toán sản lượng khí lò

10 Thiết lập biểu thức tính toán lượng khí lò

11 Vẽ sơ đồ, giải thích ký hiệu, nêu nguyên lý làm việc của nồi hơi ống lửa ngược chiều

12 Vẽ sơ đồ, giải thích ký hiệu, nêu nguyên lý làm việc của nồi hơi ống nước tuần hoàn tựnhiên kiểu chữ D nghiêng

13 Nêu khái niêm nồi hơi chính, nồi hơi phụ

Chương 2: ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, trong đó sự đốt cháy nhiên liệu, sự tỏa nhiệt và quátrình biến đổi năng lượng từ nhiệt năng thành cơ năng xảy ra trong chính bản thân của động cơ

2.1 NGUYÊN LÝ HỌAT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.1.1 Nguyên lý làm việc chung của động cơ

 Khi nhiên liệu cháy trong xi lanh (tự cháy do

nén đến áp suất và nhiệt độ cao hay cháy cưỡng

bức do tia lửa điện), sản vật cháy có áp suất và

nhiệt độ cao khoảng (17002300 0K và P = 612

Mpa), tiến hành quá trình giãn nở tác dụng lực lên

đỉnh piston 3 đẩy nó chuyển động tịnh tiến Nhờ cơ

cấu biên khuỷa 8 mà chuyển động tịnh tiến của

piston được biến thành chuyển động quay của trục

khuỷa 9 Để đảm bảo việc nạp đủ khí mới vào

trong xi lanh cũng như để thải đúng lúc và thải hết

khí thải ra khỏi động cơ, trên động cơ được bố trí

các xúp páp và các cơ cấu dẫn động chúng để làm

nhiệm vụ phân phối khí Nhiên liệu được cung cấp

vào xi lanh có tính chu kỳ nhờ hệ thống cung cấp

nhiên liệu

 Quá trình cháy trong xi lanh của nhiên liệu diễn ra có tính chất chu kỳ, các chi tiết tiếp xúc vớikhí cháy luôn luôn được làm mát, các bề mặt chuyển động luôn luôn được bôi trơn nên động cơ làmviệc ổn định và lâu dài, độ tin cậy cao

2.1.2 Ưu nhược điểm của động cơ đốt trong so với động cơ nhiệt khác

Ưu điểm:

 Hiệu suất có ích cao, đối với động cơ diesel hiện đại hiệu suất có ích đạt tới 4045% Trong khi

đó hiệu suất của tua bin hơi từ 3035%, tua bin khí khoảng 30% và máy hơi nước là <16%

 Kích thước và trọng lượng của hệ động động cơ đốt trong không lớn lắm vì toàn bộ chu trìnhcông tác của động cơ được thực hiện trong một thiết bị duy nhất đó là động cơ

 Ít gây nguy hiểm khi vận hành, ít gây hỏa hoạn cũng như nổ vỡ thiết bị

 Nhiệt độ xung quanh động cơ thấp, tạo điều kiện thuận lợi cho người vận hành

 Không cần nhiều người phục vụ, bảo dưỡng

7 6

 Khả năng qua tải của động cơ kém (Nmax110%Ne, nmax 103% netrong 1 giờ).

 Đặc tính kéo của động cơ không tốt lắm, tức là động cơ không thể phát ra mô men cực đại ở tốc

độ góc nhỏ

 Khó khởi động khi có tải

 Công xuất của thiết bị không lớn lắm( 4000045000) cv

 Yêu cầu đối với nhiên liệu tương đối khắt khe, giá thành nhiên liệu đắt

 Cấu tạo của động cơ phức tạp

 Người vận hành yêu cầu phải có trình độ kỹ thuật cao

 Chi phí ban đầu tương đối cao

 Động cơ làm việc khá ồn, nhất là động cơ cao tốc

2.2 PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.2.1 Phân theo cách thực hiện chu trình công tác của động cơ

 Động cơ 4 kì: Là động cơ mà một chu trình công tác của nó được hoàn thành sau bốn hành trìnhcủa piston hay hai vòng quay của trục khuỷu

 Động cơ 2 kì: Là động cơ mà một chu trình công tác của nó được hoàn thành sau hai hành trìnhcủa piston hay một vòng quay của trục khuỷu

2.2.2 Phân theo nhiên liệu dùng cho động cơ.

 Động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu lỏng loại nhẹ (xăng,, benzen, dầu hỏa ) và động cơ đốttrong chạy bằng nhiên liệu lỏng loại nặng (dầu ma mút, dầu diezel, )

 Động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu khí (khí lò ga, khí nén thể lỏng, khí thiên nhiên)

 Động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu lỏng và nhiên liệu khí trong đó (nhiên liệu lỏng đượcdùng làm mồi cho nhiên liệu khí)

 Động cơ đốt trong chạy bằng nhiều loại nhiên liệu

2.2.3 Phân theo phương pháp hình thành khí hỗn hợp

 Động cơ đốt trong hình thành hỗn hợp khí bên ngoài, tức là động cơ mà hỗn hợp khí bao gồmkhông khí với hơi của nhiên liệu nhẹ được hình thành bên ngoài xi lanh của động cơ

 Động cơ đốt trong hình thành hỗn hợp khí bên trong, tức là động cơ mà không khí và nhiên liệu đượcđưa riêng rẽ vào xi lanh, trong đó nhiên liệu được cấp vào xi lanh dưới dạng sương mù, hơi nhiên liệucấp vào sẽ hòa trộn với không khí ngay trong xi lanh, (động cơ diesel)

 Động cơ diesel cũng được chia làm 2 loại:

o Động cơ đốt trong có buồng cháy thống nhất, động cơ có một buồng cháy hay buồng cháy củađộng cơ là một thể thông nhất

o Động cơ đốt trong có buồng cháy dự bị là động cơ mà thể tích buồng cháy được chia làm 2phần, buồng cháy chính và buồng cháy dự bị

o Động cơ có buồng cháy xoáy lốc là động cơ mà buồng cháy cũng được chia làm 2 phần, buồngcháy chính và buồng cháy xoáy lốc.

25.2.4 Phân theo phương pháp đốt cháy hỗn hợp khí công tác

 Động cơ đốt trong đốt cháy cưỡng bức: Hỗn hợp khí công tác được đốt cháy trong xi lanh động

cơ bằng nguồn lửa bên ngoài (tia lửa điện)

 Động cơ có cầu giữ nhiệt: Hỗn hợp chất công tác được đốt cháy nhờ sức nóng của vách buồngcháy hay thiết bị đặc biệt là quả cầu giữ nhiệt

 Động cơ nhiên liệu tự đốt cháy cháy: Hỗn hợp chất công tác tự bốc cháy ở nhiệt độ và áp xuấtcao (động cơ diesel)

 Động cơ đốt cháy hỗn hợp (động cơ gas-diesel): Nhiên liệu lỏng tự cháy làm mồi cho nhiên liệu khí

2.2.5 Phân theo dạng của chu trình công tác

 Động cơ đốt trong làm việc theo chu trình cấp nhiệt đẳng tích: Quá trình cháy của hỗn hợp chấtcông tác diễn ra trong xi lanh ở thể tích không đổi Loại động cơ này có tỷ số nén thấp= 612 (động cơ xăng)

 Động cơ đốt trong làm việc theo chu trình cấp nhiệt đẳng áp: Quá trình cháy của nhiên liệu diễn

ra trong xi lanh ở điều kiện áp xuất không đổi Loại động cơ này có tỷ số nén trung bình= 1214.(Động cơ nhiên liệu được phun vào trong xi lanh bằng không khí cao áp, hiện nay không chế tạo)

 Động cơ đốt trong làm việc theo chu trình cấp nhiệt hỗn hợp: Nhiên liệu có một bộ phận cháy ởđiều kiện đẳng tích, sau đó tiếp tục có bộ phận khác cháy ở điều kiện đẳng áp Loại động cơ này có

tỷ số nén cao= 1420 ( động cơ diesel)

2.2.6 Phân theo phương pháp nạp của động cơ

 Động cơ không tăng áp: Việc nạp không khí hoặc hỗn hợp

khí công tác vào trong xi lanh do sự chênh lệch áp suất bên

trong xi lanh và áp suất bên ngoài môi trường

 Động cơ tăng áp: Việc nạp không khí hoặc hỗn hợp khí công

tác vào trong xi lanh tiến hành ở áp suất cao hơn áp suất môi

trường do được nén trước bằng máy nén khí, nhằm tăng lượng

không khí nạp vào động cơ cho mỗi chu trình

2.2.7 Phân theo tốc độ trung bình của piston, c m

 Động cơ thấp tốc: Cm<6

 Động cơ trung tốc: Cm= 69

 Động cơ cao tốc: Cm> 9

2.2.8 Phân theo khả năng thay đổi vòng quay của trục khuỷu

 Động cơ chỉ quay một chiều nhất định (Động cơ quay phải, động cơ quay trái)

 Động cơ tự đảo chiều

2.2.9 Phân theo phương thức tác dụng lực lên đỉnh piston

 Động cơ tác dụng đơn: Là động cơ trong đó chu trình công tác của động cơ chỉ được thựchiện ở một phía của đỉnh piston

 Động cơ tác dụng kép: Là động cơ trong đó chu trình công tác của độngcơ được thực hiện ởhai phía của piston

2.2.10-Theo số xi lanh và cách bố trí các xi lanh của động cơ

 Động cơ 1 xi lanh, động cơ nhiều xi lanh, động cơ trong đó xi lanh được bố trí thành mộthàng thẳng đứng, động cơ xi lanh bố trí hình chữ V, hình sao

2.2.11 Phân theo số vòng quay của trục khuỷu

 Động cơ có vòng quay thấp: 80n < 250 (v/p)

 Động cơ có vòng quay trung bình: 250n < 750, (v/p)

 Động cơ có vòng quay cao: 750n < 1500, (v/p)

 Động cơ có vòng quay rất cao: n1500,(v/p)

2.2.12 Phân theo hệ thống truyền động

 Động cơ mà piston được nối trực tiếp với đầu nhỏ của biên và làm nhiệm vụ dẫn hướng

 Động cơ piston nối với thành truyền qua cán piston, dẫn hướng bằng guốc trượt (động cơguốc trượt)

2.2.13- Theo công dụng động cơ

 Động cơ di động, động cơ tĩnh tại, động cơ bộ, động cơ thủy, máy chính - máy phụ

2.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 4 KỲ

2.3.1 Những khái niệm và định nghĩa

 Quá trình công tác của động cơ

Quá trình công tác của động cơ đốt trong là tổng số tất cả những sự biến đổi xảy ra đối với môi chấtcông tác trong xi lanh động cơ cũng như ở hệ thống nạp và thải gắn liền với nó Sự thay đổi củamôi chất công tác bao gồm những thay đổi về thành phần hóa học(khi đốt cháy nhiên liệu, khi nạp,thải), thay đổi về áp suất, nhiệt độ, thay đổi về khối lượng môi chất công tác do thải sản vật cháy vànạp khí mới Quá trình công tác của động cơ đốt trong gồm nhiều bộ phận riêng rẽ, kế tiếp nhautheo một trình tự nhất định, được lặp đi lặp lại theo tính chất chu kỳ

 Chu trình công tác của động cơ

Là tổng cộng tất cả những phần của quá trình xảy ra theo thời gian, trong một giai đoạn ở một xilanh của động cơ Khái niệm chu trình công tác là nói về sự thay đổi môi chất công tảc trong

xi lanh Tính chu kỳ của chu trình công tác thường được đặc trưng bằng số hành trình của pistoncần thiết để thực hiện chu trình đó Theo khái niệm trên động cơ đốt trong có thể chia làm 2 loại:Động cơ 4 kỳ: Động cơ cần 4 hành trình piston để hoàn thành một chu trình công tác

Động cơ 2 kỳ: Động cơ cần 2 hành trình piston để hoàn thành một chu trình công tác

 Kỳ của động cơ

Kỳ là một phần của chu trình công tác, xảy ra

giữa hai vị trí cơ cấu thành truyền và trục khuỷa có

thể tích xi lanh lớn nhất và nhỏ nhất tức là trong

thời gian 1 hành trình của piston Đối với động cơ

mà trong 1 xi lanh chỉ có 1 piston thì các vị trí nói

trên trùng với vị trí ĐCD và ĐCT của động cơ

Nhưng với động cơ piston đối đỉnh và động cơ có

3 piston cùng 1 thể tích công tác thì chúng không

7 6

9

 Điểm chết của piston:

 Điểm chết của piston là vị trí mà khi piston ở vị trí đó dù có tác dụng một lực nào lên đỉnh pistoncũng không làm cho trục khuỷu quay

 Điểm chết mà tại đó khuỷu trục hướng từ tâm trục vào phía trong của cơ cấu biên khuỷu đượcgọi là điểm chết trong, với động cơ đốt trong tác dụng đơn thì điểm chết trong trùng với điểm chếttrên ( ĐCT)

 Điểm chết mà tại đó khuỷu trục hướng từ tâm trục ra ngoài cơ cấu, gọi là điểm chết ngoài với động

cơ đốt trong tác dụng đơn thì điểm chết ngoài trùng với điểm chết dưới ( ĐCD)

 Hành trình của piston, S

Là khoảng cách giữa 2 điểm chết

 Thể tích buồng cháy V c (cm 3 )

Là thể tích bé nhất của xi lanh đối với một chu trình

 Thể tích công tác của xi lanh V h :

Là hiệu số giữa thể tích xi lanh lớn nhất và thể tích buồng đốt

c h

V V

V

V V

2.3.2 Đồ thị công, đồ thị tròn phối khí của động cơ Diesel 4 kỳ.

2.3.3 Nguyên lý làm việc của động cơ diezel 4 kì

Để tiện cho việc nghiên cứu lý thuyết nguyên lý làm việc của động cơ diesel 4 kỳ người ta đưa ragiả thiết: Động cơ 1 xi lanh, quay phải, piston ban đầu ở ĐCT, thể tích xi lanh ban đầu là Vc, gócquaycủa trục khuỷu được tính từ vị trí đó= 0

 Hành trình thứ nhất của piston (Hành trình nạp)

Ở đầu hành trình này, piston ở vị trí ĐCT, toàn bộ thể tích của buồng cháy chứa đầy các sản phẩmcháy còn sót lại của chu trình trước Điểm đặc trưng cho trạng thái của nó là điểm r trên đồ thịcông, áp suất trong buồng đốt xấp xỉ áp suất bên ngoài môi trường p Khi trục khuỷa quay, góc quaytăng từ 0 đến 1800 thì piston sẽ đi từ ĐCT xuống ĐCD, thể tích không gian phía trên của xi lanhtăng lên Trong xi lanh hình thành độ chân không Do sự chênh ápp = p0- pamà không khí ở bênngoài sẽ được hút vào trong xi lanh qua xúp páp nạp (lúc này đã mở), trong thời gian này xúp páp

xả đóng Trên đồ thị công hành trình nạp ứng với đường rr1a

Để tăng lượng khí nạp vào trong xi lanh với mỗi chu trình, xúp páp nạp cần được mở sớm hơn trướcĐCT (d1), để khi bắt đầu hành trình nạp thì xúp páp nạp đã mở tương đối lớn, tiết diện lưu thôngcủa xúp páp nạp rộng, do đó giảm được sức cản trên đường nạp Góc quay của trục khuỷu ứng vớiđoạn d1r, được gọi là góc mở sớm xúp páp nạp1(18300) Đồng thời xúp páp nạp cũng được đóngmuộn hơn so với ĐCD (điểm d2), để tận dụng hiệu quả hiệu số áp suất p0- pavà quán tính của dòngkhí nạp Do đó tăng lượng khí nạp vào xi lanh trong một chu trình Góc quay của trục khuỷu ứngvới đoạn ad2được gọi là góc đóng muộn xúp páp nạp2 (18450)

Áp suất nạp (đối với động cơ không tăng áp) pa= (0,850,95)p0 (MPa)

r 1

d 1

r

d 2 z'

V h

V c