Bài giảng Nhiệt động kỹ thuật chương 3

Nguyên lý làm việc thiết bị nhiệt3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt Động cơ nhiệt là máy nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều thực hiện việc biến đổi nhiệt thành công.. Nguyê

Trang 1

CHƯƠNG III

CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG

NỘI DUNG

BÀI I GIỚI THIỆU VỀ CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG

BÀI II CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG

CƠ ĐỐT TRONG BÀI III CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT

BỊ LẠNH

Trang 2

BÀI I GIỚI THIỆU VỀ CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG

(CTNĐ)

Trang 3

1 Định nghĩa chu trình nhiệt động

- Để biến nhiệt thành công trong các máy nhiệt phải dùng chất môi giới và cho chất môi giới giãn nở

- Muốn nhận được công liên tục chất môi giới phải giãn nở liên tục Nhưng môi chất không thể giãn nở mãi vì kích thước máy có hạn

→ Vì vậy muốn nhận được công liên tục sau khi giãn nở phải nén môi chất để nó trở về trạng thái ban đầu và tiếp tục giãn nở, nén lần thứ hai…

 Chu trình nhiệt động là chu trình trong đó chất môi giới

thay đổi trạng thái một cách liên tục rồi lại trở về trạng thái ban đầu.

Trang 4

2 Phân loại chu trình nhiệt động

a Chu trình thuận chiều:

Chu trình tiến hành theo chiều kim

đồng hồ (trên các đồ thị trạng thái) gọi là

chu trình thuận chiều (hình 1).

 Chu trình này biến nhiệt thành công

(công sinh ra mang dấu dương), đường

cong giãn nở (1a2) nằm phía trên đường

cong nén (2b1).

 Máy nhiệt làm việc theo chu trình

này gọi là động cơ nhiệt

Hình 1 Chu trình thuận chiều

Trang 5

2 Phân loại chu trình nhiệt động

b.Chu trình ngược chiều:

Chu trình làm việc theo chiều ngược kim

đồng hồ gọi là chu trình ngược chiều

(hình 2).

Chu trình này tiêu hao công (công đưa

vào mang dấu âm), đường cong nén

(2b1) nằm trên đường cong giãn nở

(1a2).

Máy nhiệt làm việc theo chu trình này

gọi là máy lạnh và bơm nhiệt.

- Chu trình thuận nghịch: Là chu trình gồm những quá trình thuận nghịch

- Chu trình không thuận nghịch: Nếu trong chu trình chỉ cần có một quá trình

Hình 2 Chu trình ngược chiều



Trang 6

3 Nguyên lý làm việc thiết bị nhiệt

3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt

Động cơ nhiệt là máy nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều thực hiện việc biến đổi nhiệt thành công

- Ví dụ: Máy hơi nước, tuabin hơi, tuabin khí, động cơ đốt trong và động cơ phản lực

Trang 7

3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt

Trang 8

3.2 Nguyên lý làm việc của máy lạnh và bơm nhiệt:

Máy lạnh và bơm nhiệt là máy nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều

Trang 9

3.2 Nguyên lý làm việc của máy lạnh và bơm nhiệt:

Trang 10

4 Công của chu trình

Công của chu trình là công của môi chất tác dụng tới môi trường khi chất môi giới thực hiện một chu trình.

Trang 11

4.1 Công của chu trình tính theo công của các QT:

(1) Trong đó:

l i : Công thay đổi thể tích của quá trình thứ i trong n quá trình của chu trình.

l kti : Công kỹ thuật của quá trình thứ i trong n quá trình của chu trình.

- Nhìn về toàn bộ ta nhận thấy chu trình là một hệ kín mà công ngoài của hệ kín là công thay đổi thể tích  công của chu trình là công thay đổi thể tích, do đó:

Trang 12

4.1 Công của chu trình tính theo công của các QT:

- Kết hợp với biểu thức (1) và (2), công của chu trình được tính bằng biểu thức:

Trang 13

4.2 Công của chu trình tính theo nhiệt của các QT:

+ Từ PT định luật I: dq = du + dl

+ Với chu trình :

Trong đó:

vì u là hàm trạng thái

Là công của chu trình

Là tổng đại số nhiệt lượng của các QT trong CT

Trang 14

4.2 Công của chu trình tính theo nhiệt của các QT:

Trang 15

5 Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt

- Hiệu suất nhiệt: Là đại lượng để đánh giá mức độ hoàn

thiện (về mặt số lượng) của quá trình biến nhiệt thành công trong các chu trình động cơ nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều.

(8)

- Hệ số làm lạnh  & hệ số bơm nhiệt : Là đại lượng để đánh giá mức độ hoàn thiện (về mặt số lượng) của quá trình biến chuyển năng lượng trong chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều.

0 t

q q l

Trang 16

BÀI II CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG CƠ

ĐỐT TRONG

Trang 17

1 Khái niệm chung

Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt có pit tông trong đó nhiên liệu cháy trực tiếp trong xy lanh của động cơ và thực hiện quátrình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng

 Một số giả thiết khi nghiên cứu :

+ Các tính chất vật lý của môi chất không thay đổi trong CT.+ Các quá trình xảy ra đều là thuận nghịch, coi quá trình nén

và giãn nở là quá trình đoạn nhiệt

+ Quá trình cháy thay bằng quá trình cấp nhiệt và quá trình

thải sản phẩm cháy bằng quá trình nhả nhiệt đẳng tích

CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Trang 18

1.1 Phân loại theo nhiên liệu sử dụng :

+ Động cơ dùng nhiên liệu lỏng loại nhẹ – động cơ xăng + Động cơ dùng nhiên liệu lỏng loại nặng – động cơ

điêzen

+ Động cơ dùng nhiên liệu khí – động cơ gaz

1.2 Phân loại theo quá trình cấp nhiệt

Trang 19

1.3 Phân loại theo số kỳ để thực hiện một chu trình:

a Động cơ 4 kỳ.

Chu trình làm việc gồm 4 kỳ:

1- Kỳ nạp ; 2- Kỳ nén; 3 – Kỳ cháy và giãn nở; 4 - Kỳ thải

Trang 20

1.3 Phân loại theo số kỳ để thực hiện một chu trình:

Trang 21

1.4 Phân loại theo cách đốt cháy nhiên liệu :

a Động cơ tự cháy:

Việc hỗn hợp giữa nhiên liệu (dầu điêzen) với không khí thực hiện bên trong xy lanh Nhiên liệu tự bốc cháy ở cuối quátrình nén

• Tuỳ theo cách đưa nhiên liệu vào xy lanh ta phân ra 2

loại:

Động cơ điêzen cháy đẳng áp (đưa nhiên liệu vào bằng

không khí nén từ máy nén khí);

Động cơ điêzen cháy hỗn hợp (đưa nhiên liệu vào dùng bơm

cao áp và vòi phun, động cơ điêzen ngày nay chế tạo theo loại này)

Trang 22

1.4 Phân loại theo cách đốt cháy nhiên liệu :

b Động cơ cháy cưỡng bức:

Việc hỗn hợp giữa nhiên liệu (xăng) và không khí được thực hiện bên ngoài xy lanh Sự cháy nhiên liệu nhờ tia lửa điện

Trang 23

Một số loại động cơ đốt trong hiện đại ngày nay

Trang 24

Chu trình làm việc của các động cơ đốt trong

Trang 25

2 Chu trình lý tưởng của ĐCĐT cấp nhiệt đẳng tích

3 4

2.2 Mô tả các quá trình

trong chu trình

+ 1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt

+ 2-3: Quá trình cấp nhiệt đẳng

tích với nhiệt lượng cấp vào là q1

+ 3-4: Quá trình giãn nở đoạn

nhiệt

+ 4-1: Quá trình nhả nhiệt đẳng

tích với nhiệt lượng nhả ra là q2

Trang 26

2.3 Các đại lượng đặc trưng của chu trình

 Tỷ số nén (trong quá trình nén):

 Tỷ lệ tăng áp (trong quá trình cấp nhiệt):

 Nhiệt lượng cấp cho chu trình: q1 = Cv(T3-T2)

 Nhiệt lượng nhả ra trong chu trình: |q2| = Cv(T4-T1)

 Hiệu suất của quá trình:

1 2

vv

 

3 2

pp

 

 4 1 

2 0

t

q l

Trang 27

+ Trong quá trình đoạn nhiệt 1-2:

+ Trong quá trình đẳng tích 2-3:

 Hiệu suất của chu trình :

Trang 28

Hiệu suất của chu trình :

 Nhận xét:

-  chỉ phụ thuộc vào k và .

- Vì k phụ thuộc vào bản chất của môi chất, (k thay đổi ít khi thành

phần nhiên liệu thay đổi) → hiệu suất nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào .

- Khi  tăng →  tăng → p và T cuối quá trình nén tăng → dễ gây ra hiện tượng kích nổ ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc bình thường của động cơ → có thể phá huỷ các bộ phận của động cơ

  thường lấy trong khoảng (8  12)

2 0

Trang 29

3 Chu trình lý tưởng của ĐCĐT cấp nhiệt đẳng áp

3.1 Đồ thị chu trình

3.2 Mô tả các quá trình chu

Trang 30

3.3 Các đại lượng đặc trưng của chu trình :

 Độ giãn nở sớm (trong quá trình cấp nhiệt):

 Nhiệt lượng cấp cho chu trình: q1 = Cp(T3 - T2)

 Nhiệt lượng nhả ra trong chu trình: |q2| = Cv(T4 - T1)

 Hiệu suất nhiệt của chu trình:

1 2

vv

 

3 2

v v

 

 4 1 

2 0

p

q l

Trang 31

3.3 Các đại lượng đặc trưng của chu trình :

+ Trong quá trình đẳng áp 2-3:

 Hiệu suất của chu trình :

Trang 32

• Hiệu suất của chu trình :

 Nhận xét:

- Hiệu suất nhiệt của chu trình phụ thuộc vào k, , 

- Khi  tăng,  giảm  thì  tăng

- Chu trình cấp nhiệt đẳng áp tương ứng với các quá trình của động cơ điêzen với việc phun nhiên liệu bằng không khí nén

Trang 33

4 Chu trình lý tưởng của ĐCĐT cấp nhiệt hỗn hợp

4 5

p = const

3

v = const

4.2 Mô tả các quá trình chu

áp với nhiệt lượng cấp vào là q1’’.

+ 4-5: Quá trình giãn nở đoạn

nhiệt.

+ 5-1: Quá trình nhả nhiệt đẳng

tích với nhiệt lượng nhả ra là q2.

Trang 34

 Tỷ lệ tăng áp (trong quá trình cấp nhiệt):

 Độ giãn nở sớm (trong quá trình cấp nhiệt):

 Nhiệt lượng cấp cho chu trình:

 Nhiệt lượng nhả ra trong chu trình:

1 2

vv

 

3 2

p p

 

4 3

v v

Trang 35

 Hiệu suất nhiệt của chu trình:

Trang 36

• Hiệu suất nhiệt của chu trình:

- Hiệu suất nhiệt của CT cấp nhiệt hỗn hợp phụ thuộc vào k, , , 

- Khi tăng , tăng  và giảm  thì hiệu suất nhiệt của chu trình tăng

- Giá trị nằm trong khoảng  = (20  24) để đảm bảo độ bền của chi tiết

- Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp tương ứng với các quá trình của động cơ điêzen bằng cách phun nhiên liệu bằng bơm cao áp và vòi phun Các động cơ điêzen ngày nay được chế tạo theo loại này

Trang 37

5 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình ĐCĐT

1-2-3-4 : Là chu trình cấp nhiệt đẳng tích.

1-2-3”-4” : Là chu trình cấp nhiệt đẳng áp.

1-2-3’-4’ : Là chu trình cấp nhiệt hỗn hợp.

 Hiệu suất nhiệt được tính theo công thức:

- Từ đồ thị → nhiệt lượng nhả ra trong chu trình:

2 0

t

q l

Trang 38

5 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình ĐCĐT

 Hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng áp trong điều kiện trên là lớn nhất

p (đoạn 1-2’’) > hh (đoạn1-2’) > v (đọan 1-2).

2 t

1

q 1

q

  

T

s 1



Trang 39

BÀI III CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH

Trang 40

 Làm lạnh một vật là làm giảm nhiệt độ của vật đó

 Phân loại cách làm lạnh:

- Làm lạnh tự nhiên : chỉ giảm tới nhiệt độ môi trường xung

quanh

- Làm lạnh nhân tạo : có thể giảm xuống thấp hơn nhiệt độ

của môi trường xung quanh

+ Máy lạnh dùng để hạ nhiệt độ của vật xuống thấp hơn nhiệt

độ của môi trường xung quanh và giữ nhiệt độ đó trong một thời gian dài

+ Máy lạnh làm việc theo chu trình ngược – tức là nhiệt truyền

từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao bằng cách tiêu tốn công từ ngoài

CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH

Trang 41

 Môi chất trong máy lạnh là môi chất lạnh (chất làm lạnh)

 Đại lượng đặc trưng của máy lạnh là hệ số làm lạnh 

- Hệ số làm lạnh: Là tỷ số giữa số lượng nhiệt nhận được từ

nguồn có nhiệt độ thấp và công tiêu tốn trong chu trình:

- Năng suất lạnh: Số lượng nhiệt môi chất lạnh nhận được từ

vật trong một đơn vị thời gian

Trang 42

2 Phân loại máy lạnh theo môi chất lạnh

+ Máy lạnh dùng không khí:

- ít dùng vì hiệu suất kém, khả năng làm lạnh kém nhưng

an toàn nên chủ yếu được dùng trong ngành hàng không

+ Máy lạnh dùng hơi:

 Máy lạnh có máy nén hơi

 Máy lạnh không có máy nén hơi (máy lạnh hấp thụ)

Trong công nghiệp chủ yếu là máy lạnh dùng hơi.



Trang 43

2 Phân loại máy lạnh theo môi chất lạnh

vì nhiệt hoá hơi của NH3 lớn nên cho công suất lớn

- Các loại Frêon thường được sử dụng trong máy lạnh sinh hoạt như: tủ lạnh, tủ đá,… vì không đòi hỏi công suất lớn và ưu điểm của Frêon là không mùi, không độc

Trang 44

2 Chu trình máy lạnh dùng hơi có máy nén

VI III

p1

1

x=1 x=0

T

s 0

q2

p22

3 4

5

2.2 Chu trình làm việc của máy lạnh:

1-2: Là quá trình nén đoạn nhiệt hơi trong máy nén I.

2-3-4: Là quá trình ngưng hơi đẳng áp trong dàn ngưng II.

4-5: Là quá trình tiết lưu ở van tiết lưu III.

5-1: Là quá trình bay hơi xảy ra ở dàn bay hơi trong buồng lạnh IV.

p1

Trang 45

- Hơi bão hoà khô từ buồng lạnh IV được hút vào máy nén I

- Trong máy nén, hơi bão hoà khô được nén từ p1 tới p2 và trở thành hơi quá nhiệt (điểm 2)

- Hơi quá nhiệt có p2 đi vào dàn ngưng II tại đó được làm lạnh đẳng áp p2 = const nhờ không khí hoặc nước làm mát

- Sau dàn ngưng là chất lỏng sôi có áp suất p2 biểu diễn bằng điểm 4.

- Chất lỏng sôi được tiết lưu qua van tiết lưu III → Áp suất giảm từ p2 đến p1

và nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của buồng làm lạnh.

- Sau van tiết lưu là hơi bão hoà ẩm có độ khô x nào đó, hơi này vào dàn bay hơi đặt trong buồng lạnh IV, tại đây hơi nhận nhiệt từ vật cần làm lạnh → Hơi bão hoà ẩm trở thành hơi bão hoà khô đi vào máy nén tiếp tục chu trình tiếp theo.

Trang 46

2.4 Các đại lượng đặc trưng của chu trình:

 Hệ số làm lạnh:

Trong đó:

q1: Là nhiệt lượng môi chất lạnh nhả ra ở dàn ngưng; |q1| = i2 – i4

q2: Là nhiệt lượng môi chất lạnh nhận được từ buồng lạnh; q2 = i1 – i5

l0: Là công tiêu tốn trong chu trình; |l0| = |q1| - q2 = (i2-i4) - (i1 – i5)

Vì i 4 = i 5 (qua van tiết lưu) nên |l 0 | = i 2 - i 1

Thay q2 và l0 vào PT trên:

Trang 47

2.4 Các đại lượng đặc trưng của chu trình:

 Năng suất lạnh:

Q0 = Gq2 Trong đó:

Q0: Là năng suất lạnh, W (hoặc kcal/h)

G : Là lưu lượng chất làm lạnh trong máy lạnh, kg/s

 Công suất tiêu hao của máy nén hơi:

N = Gl 0

Trong đó:

N : Là công suất tiêu hao, W

Trang 48

3 Chu trình máy lạnh hấp thụ

3.1 Khái niệm

Thay quá trình nén hơi trong máy nén bằng bình hấp thụ đểhấp thụ hơi môi chất ở p1 thành dung dịch rồi dùng bơm (tiêu tốn rất ít điện năng so với máy nén) tăng áp suất đưa dung dịch lên bình tách hơi (bình sinh hơi) ở áp suất p2 để tạo ra hơi ở áp suất này

Vì vậy phải dùng dung dịch gồm hai chất lỏng có nhiệt độ sôi khác nhau, khi cùng áp suất, chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp được sử dụng làm môi chất lạnh, chất lỏng có nhiệt độ sôi cao dùng làm chất hấp thụ

Trang 49

3.1 Khái niệm

Các cặp chất lỏng thường hay sử dụng:

 Cặp NH3 - H2O : NH3 là môi chất lạnh, H2O là chất hấp thụ

Ví dụ: Khi p = 6 bar thì tsNH3 = 10C, tsH2O = 159C

 Cặp H2O – LiBr : H2O là môi chất lạnh, LiBr là chất hấp thụ

Trang 50

3.2 Sơ đồ nguyên lý của máy hấp thụ

1 - Bình sinh hơi

2 - Bình ngưng hơi 3,7- Van tiết lưu

Trang 51

3.2 Sơ đồ nguyên lý của máy hấp thụ

 Cấp nhiệt q1 cho bình sinh hơi chứa H2O-NH3 có áp suất p1, NH3

sẽ bay hơi trước, ta có hơi NH3 ở áp suất p1.

- Hơi NH3 này vào bình ngưng 2 và ngưng tụ thành NH3 lỏng có p1.

- NH3 lỏng qua van tiết lưu 3 áp suất giảm từ p1 tới p2 và nhiệt độ giảm từ ts1 tới nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ buồng làm lạnh.

- Sau tiết lưu có hơi bão hòa ẩm với độ khô x nào đó.

- Hơi bão hoà ẩm NH3 đi vào dàn bay hơi ở trong buồng lạnh 3, vì nhiệt độ của hơi bão hoà ẩm NH3 thấp hơn nhiệt độ của buồng lạnh nên nó nhận nhiệt q2 từ các vật cần làm lạnh → Do đó nó tiếp tục bay hơi ở dàn bay hơi và trở thành hơi bão hoà khô NH3 ở áp suất p2.

Định dạng
Số trang	57
Dung lượng	1,31 MB