Chương 12: Chu trình động cơ nhiệt

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí làm việc của động cơ đốt trong kiểu piston Động cơ đốt trong kiểu piston là động cơ nhiệt có quá trình cháy và biến đổi nhiệt thành công xảy ra trong xilanh độ

Trang 1

Chương 12 CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ NHIỆT 12.1 Khái niệm chung

Động cơ nhiệt là loại máy nhiệt được thực hiện theo chu trình thuận chiều để chuyển hóa nhiệt năng thành công cơ học

Động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt có quá trình cháy của nhiên liệu tiến hành bên trong động cơ Không khí và sản phẩm cháy là môi chất Nguồn nóng là phản ứng cháy tỏa nhiệt của nhiên liệu Nguồn lạnh là môi trường xung quanh Sản phẩm cháy sau khi dãn nở, sinh công được thải ra môi trường Do đó, động cơ đốt trong làm việc theo chu trình hở Các quá trình biến đổi năng lượng bên trong động cơ là các quá trình không thuận nghịch

Động cơ đốt trong có các loại như: động cơ đốt trong kiểu piston, động cơ turbine khí, động cơ phản lực, động cơ tên lửa, súng pháo

Khi nghiên cứu các chu trình nhiệt động của các động cơ nhiệt người ta đưa ra các giả thiết sau:

- Môi chất là khí lí tưởng Thành phần và khối lượng của nó không thay đổi trong quá trình làm việc Nhiệt dung riêng không thay đổi theo nhiệt độ

- Các quá trình xảy ra trong động cơ đều là quá trình thuận nghịch

- Quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ được thay bằng quá trình cấp nhiệt

- Quá trình nén và dãn nở trong động cơ đều là các quá trình đoạn nhiệt

- Quá trình thải sản phẩm cháy được coi là quá trình thải nhiệt

- Coi quá trình nạp khí và thải sản phẩm cháy triệt tiêu nhau về công, biến hệ hở thành hệ kín Như vậy, có thể coi động cơ làm việc theo chu trình kín

Động cơ đốt ngoài là loại động cơ nhiệt mà quá trình cấp nhiệt cho môi chất được tiến hành bên ngoài động cơ Ví dụ như: động cơ hơi nước

12.2 Chu trình động cơ đốt trong kiểu piston

12.2.1 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí làm việc của động cơ đốt trong kiểu piston

Động cơ đốt trong kiểu piston là động cơ nhiệt có quá trình cháy và biến đổi nhiệt thành công xảy ra trong xilanh động cơ, môi chất công tác của động cơ là sản phẩm cháy của hỗn hợp của nhiên liệu và không khí

Khi động cơ làm việc, piston đi từ điểm chết trên (đỉnh piston cách xa tâm trục khuỷu nhiều nhất) đến điểm chết dưới (đỉnh piston gần tâm trục khuỷu nhất) thực hiện quá trình nạp môi chất 01, piston đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên thực hiện quá trình nén 12, gần điểm chết trên xuất hiện quá trình cháy 23 và quá trình dãn nở 34 đẩy piston từ điểm chết trên đến điểm chết dưới, piston từ điểm chết trên đến điểm chết dưới thực hiện quá trình thải 40 và tiếp tục chu kì mới BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT 1

p

V Chu trình làm việc động cơ bốn kì

0

V0 = V2

2

1 4 3

V1

1 2 3 4 5

Sơ đồ cấu tạo động cơ đốt trong

1 Xilanh động cơ

2 Piston

3 Thanh truyền

4 Tay quay (tay biên)

5 Vỏ máy

6 Van nạp (xupap nạp)

7 Nến điện (bugi) hoặc

vòi phun dầu

8 Van xả (xupap xả)

Trang 2

Động cơ thực hiện chu trình làm việc bằng bốn lần lên xuống của piston (bốn hành trình) gọi là động cơ bốn kì, động cơ bốn kì cần hai vòng quay của trục khuỷu để thực hiện một chu trình làm việc Nếu trong hành trình lên xuống của piston xilanh có những lỗ để nạp hoặc thải môi chất, một lần lên xuống của piston thực hiện hai quá trình làm việc, chu trình làm việc của động cơ chỉ cần hai hành trình Động cơ thực hiện chu trình làm việc bằng hai hành trình lên xuống của piston hay một vòng quay trục khuỷu là động cơ hai kì

12.2.2 Chu trình nhiệt động

Chu trình làm việc thực của động cơ đốt trong bao gồm quá trình nạp, quá trình nén, quá trình cháy dãn nở và quá trình thải là chu trình hở có số lượng môi chất, thành phần hóa học và tính chất vật lí của môi chất thay đổi Chu trình thực tế phức tạp và bị nhiều yếu tố ảnh hưởng, để nhận được những yếu tố cơ bản cần có những giả thiết lí tưởng:

- Chu trình động cơ là chu trình kín có lượng môi chất không đổi

- Môi chất là khí lí tưởng có nhiệt dung riêng không đổi

- Quá trình cháy là quá trình cấp nhiệt, quá trình thải là quá trình thải nhiệt

- Quá trình nén và dãn nở là những quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch

Những giả thiết trên đưa chu trình làm việc thực tế về chu trình lí tưởng hay chu trình nhiệt động

a Chu trình cấp nhiệt đẳng tích

 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích là chu trình nhiệt động của động cơ xăng

Chu trình gồm bốn quá trình:

- Quá trình nén đoạn nhiệt 12 được đặc trưng bởi tỉ số nén 1

2

v v

 

- Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 23 được đặc trưng bởi hệ số tăng áp 3

2

p p

  Ở quá trình này, chu trình nhận nhiệt q từ nguồn nóng:1

1

q C T  T C T   

- Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 34

- Quá trình thải nhiệt đẳng tích 41 Ở quá trình này, chu trình thải nhiệt q vào môi trường:2

q C T  T C T 

Chu trình cấp nhiệt đẳng tích

 Hiệu suất nhiệt chu trình:

 

1 2

1

1 1

1

v

C T q

q C T





  



1 1



 

 

Nhận xét: Muốn tăng hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ cấp nhiệt đẳng tích ta cần tăng tỉ số nén.

BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT 2

p

v

3

4 2

1

q

1

q2

v1 = v4

v2 = v3

T

s

1

3

s3 = s4

s1 = s2

q1

q2

Trang 3

b Chu trình cấp nhiệt đẳng áp

 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp là chu trình nhiệt động động cơ diesel phun dầu vào xilanh bằng khí nén

Chu trình cấp nhiệt đẳng áp

Chu trình bao gồm 4 quá trình:

- Quá trình nén đoạn nhiệt 12 được đặc trưng bởi tỉ số nén 1

2

v v

 

- Quá trình cấp nhiệt đẳng áp 23 được đặc trưng bởi hệ số dãn nở sớm 3

2

v v

  Ở quá trình này, chu trình nhận nhiệt q từ nguồn nóng:1

1

q C T  T C T   

- Quá trình thải nhiệt đẳng tích 41 Ở quá trình này, chu trình thải nhiệt q cho môi trường:2

q C T  T C T  

1

( 1)

k v

p





  



( 1)

k





  



 



Nhận xét: Muốn tăng hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ cấp nhiệt đẳng áp ta cần tăng tỉ số

nén và giảm tỉ số dãn nở sớm

c Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp là chu trình nhiệt động động cơ diesel phun dầu vào xilanh bằng bơm cao áp

Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

p

v

4 2

1

q1

q

2

v1 = v4

v2

3

v3

T

s

1

3

2

4

s3 = s4

s1 = s2

q1

q2

p

v

5 3

1

q

q2

v = v5

v2 = v3

4

v4

1

q

2

T

s

1

4

s4 = s5

s1 = s2

3

s3

1

q

1

q

q

2

Trang 4

Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp gồm 5 quá trình:

- Quá trình nén đoạn nhiệt 12 có đặc trưng là tỉ số nén 1

2

v v

 

- Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 23 có đặc trưng là hệ số tăng áp 3

2

p p

  Ở quá trình này, chu trình nhận nhiệt q từ nguồn nóng:1

q C T  T

- Quá trình cấp nhiệt đẳng áp 34 có đặc trưng là độ dãn nở sớm 4

3

= v

v

 Ở quá trình này, chu trình nhận nhiệt q từ nguồn nóng:1

qC T  T

- Quá trình thải nhiệt đẳng tích 51 Ở quá trình này, chu trình thải nhiệt q cho môi trường:2

q C T  T

 Hiệu suất nhiệt của chu trình:

v tvp

Thay các giá trị nhiệt độ và rút gọn ta được:

1

1 1

k







 

Nhận xét: Muốn hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ cấp nhiệt hỗn hợp ta cần tăng tỉ số nén,

tăng hệ số tăng áp và giảm khi hệ số dãn nở sớm

d So sánh chu trình

 Khi các chu trình có cùng tỉ số nén và nhiệt lượng cấp:

Chu trình cấp nhiệt đẳng tích 123 4 1v v , chu trình cấp

nhiệt hỗn hợp 123451 và chu trình cấp nhiệt đẳng áp

123 4 1p p có công sinh ra khác nhau và nhiệt thải cho

nguồn lạnh khác nhau Nhiệt thải cho nguồn lạnh ở chu

trình cấp nhiệt đẳng áp là lớn nhất được biểu thị bằng diện

tích s114p s và nhiệt thải ở chu trình cấp nhiệt đẳng tích4b

là nhỏ nhất được biểu thị bằng diện tích s114v s 4v

Như vậy, hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng tích

là lớn nhất và hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng áp

là nhỏ nhất:

  

 Khi các chu trình có cùng nhiệt độ, áp suất cực đại

và nhiệt độ, áp suất cực tiểu:

- Trong điều kiện cùng nhiệt độ cực đại, theo đồ thị nhiệt ta thấy các chu trình có cùng nhiệt thải cho nguồn lạnh và được biểu thị bằng diện tích s114v s Chu trình cấp nhiệt đẳng áp có công4

sinh ra lớn nhất được biểu thị bằng diện tích 12 3 4 1p p p và công sinh ra trong chu trình cấp nhiệt đẳng tích nhỏ nhất được biểu thị bằng diện tích 12 3 4 1v v v Vì vậy, hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng áp lớn nhất

  

T

s

1

4

2

5

s5

s1 = s2

3

3v

3p

4

p

4v

s 4v s 4p

Các chu trình động cơ đốt trong có cùng

tỉ số nén và cùng nhiệt cung cấp p

v

3v = 3p = 4

2p

T CN

3

Các chu trình có cùng áp suất cực đại

trên đồ thị p-v

2v

v = 4p = 5 1

T

s

1

2

4v = 5 = 4p

s1 = s 2v = s2 = s 2p

3 3v = 4 = 3p

s 4v = s 4p = s5

Chu trình có cùng nhiệt độ cực đại

trên đồ thị T-s

2p

2v

p CN

Trang 5

- Trong điều kiện cùng áp suất cực đại, theo đồ thị công ta thấy công sinh ra trong chu trình cấp nhiệt đẳng áp là lớn nhất Vì vậy, hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng áp lớn nhất:

  

12.3 Chu trình súng pháo

a Nguyên lí cấu tạo và làm việc

 Nguyên lí cấu tạo: Súng pháo được nạp đạn là động cơ nhiệt kiểu pittông gồm xilanh 1 là nòng, pittông 2 là đầu đạn, buồng đốt 3 chứa hỗn hợp cháy (thuốc phóng) và cơ cấu phát hỏa 4

Sơ đồ cấu tạo súng pháo

 Nguyên lý làm việc:

Khi bắn cơ cấu phát hỏa đốt cháy thuốc mồi làm cháy

thuốc phóng tạo ra sản phẩm cháy là khí có áp suất và nhiệt

độ cao đẩy đầu đạn vào nòng Thuốc phóng tiếp tục cháy

đẩy đầu đạn dịch chuyển trong nòng và đạt được áp suất

cực đại p max sau đó khí dãn nở sinh công đẩy đầu đạn ra

khỏi nòng với tốc độ lớn Khi đầu đạn ra khỏi nòng, khí

cháy thải nhiệt vào môi trường Quá trình làm việc của súng

được biểu thị bằng đường cong quan hệ áp suất khí trong

nòng với chiều dài nòng gọi là đường cong thuật phóng của

súng pháo Những điểm đặc trưng của đường cong thuật

phóng là điểm mồi cháy ban đầu 1, điểm áp suất khí thuốc

đẩy đầu đạn vào nòng 2, điểm áp suất khí thuốc cực đại 3,

điểm kết thúc quá trình cháy 4 và điểm khí thuốc chiếm

toàn bộ thể tích nòng 5

Sự khác biệt cơ bản của súng pháo và động cơ nhiệt thông thường là súng pháo làm việc ở miền

áp suất cao của chất khí đến hàng ngàn bar

b Chu trình nhiệt động

 Súng pháo thực có quá trình cháy kéo dài không chỉ xảy ra trong buồng đốt mà còn xảy ra trong nòng súng và cả khi thuốc phụt vào môi trường

Đường cong thuật phóng của súng pháo

p

1 2

3 4

5

x

p

v

4 1

q 1v

q2

T

s

2

3

4 1

1

q

1

q

q2

Trang 6

Chu trình nhiệt động súng pháo thông thường

- Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 12 tương ứng với quá trình xảy ra trong buồng đốt rất nhanh được giả thiết là quá trình đẳng tích được đặc trưng bởi hệ số tăng áp 2

1

p p

  Ở quá trình này, chu trình nhận nhiệt q từ nguồn nóng:1

q C T  T

- Quá trình cấp nhiệt đẳng áp 23 tương ứng với quá trình cháy trong nòng được giả thiết là đẳng áp được đặc trưng bởi hệ số dãn nở sớm 3

1

v v

  Ở quá trình này, chu trình nhận nhiệt q từ nguồn nóng:1

qC T  T

- Quá trình dãn nở 34 là quá trình khí thuốc dãn nở đoạn nhiệt

- Quá trình thải nhiệt đẳng áp 41 Ở quá trình này, chu trình thải nhiệt q ra môi trường:2

q C T T

 Hiệu suất nhiệt chu trình súng pháo:

2 1

1

t

q q

  

1

p



 

1 1

k



 

k T T





Thay các giá trị của T và 3 T vào biểu thức trên và biến đổi, ta được:4

1

k k

h t

k









ở đây: h V h 4 1

m

   , trong đó V h là thể tích công tác của súng pháo, m 3 /kg.

2

4

h

D

với: D là đường kính của nóng súng pháo, m; L là chiều dài công tác của súng pháo, m.

Nhận xét: Hiệu suất nhiệt của chu trình súng pháo phụ thuộc tính chất vật lý khí thuốc, phụ thuộc

trạng thái ban đầu khí thuốc, phụ thuộc tính chất quá trình cháy và phụ thuộc kích thước nòng

12.4 Chu trình động cơ turbine khí

Trang 7

12.4.1 Chu trình động cơ turbine cấp nhiệt đẳng áp

 Nguyên lí cấu tạo: Động cơ turbine khí gồm turbine khí 1 kéo tải 5, máy nén 2, hệ thống cung cấp nhiên liệu 3 và buồng đốt 4 (hình vẽ)

Sơ đồ cấu tạo động cơ turbine và chu trình nhiệt động

 Nguyên lí làm việc: Không khí từ môi trường được nén vào buồng đốt gặp nhiên liệu bốc cháy, sản phẩm cháy có nhiệt độ áp suất cao đi vào turbine dãn nở sinh công đến áp suất và nhiệt độ thấp được thải vào môi trường

 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp gồm:

- Quá trình nén đoạn nhiệt 12 trong máy nén được đặc trưng bởi hệ số tăng áp của máy nén 2

1

p p

- Quá trình cấp nhiệt đẳng áp 23 Ở quá trình này, chu trình nhận nhiệt q từ nguồn nóng:1

q C T  T

- Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 34 trong turbin

- Quá trình thải nhiệt đẳng áp 41 Ở quá trình này, chu trình nhả nhiệt q cho môi trường:2

q C T T

4 1

2

2 2

1

p t

p

T T

q

T T





Từ quá trình đoạn nhiệt 12 và quá trình đoạn nhiệt 34, ta được:

T T hoặc

T T

Vậy:

1

k k

k







Đặt 1

2

v

v  là tỉ số nén của máy nén, ta được: 21 12

k

 

 

  hay  k



1

Nhận xét: Muốn tăng hiệu suất nhiệt của chu trình turbine cấp nhiệt đẳng áp ta cần tăng hệ số

tăng áp (tăng tỉ số nén) của máy nén

3

4 5

p

v

q1

4 1

q

2

Trang 8

12.4.2 Chu trình động cơ turbine cấp nhiệt đẳng tích

 Nguyên lí cấu tạo: Động cơ turbine khí có quá trình cháy đẳng tích gồm turbine 1 gắn tải máy nén 2, bơm nhiên liệu 6, các van 3, 4, 5, động cơ có cấu tạo buồng đốt phức tạp nên hiện nay không được sử dụng

Động cơ turbine đốt cháy đẳng tích và chu trình nhiệt động

 Chu trình nhiệt động động cơ turbine bao gồm:

- Quá trình nén đoạn nhiệt 12 trong máy nén được đặc trưng bởi hệ số tăng áp 2

1

p p

- Quá trình cháy đẳng tích 23 được đặc trưng bởi hệ số tăng áp 3

2

p p

  Ở quá trình này, chu trình nhận nhiệt q từ nguồn nóng:1

1

k k



- Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 34 trong turbin

- Quá trình thải nhiệt đẳng áp Ở quá trình này, chu trình thải nhiệt q cho môi trường:2

1

q C T  T C T  

1 2

1

p

v

C T

q

C T



  , ta được:

1 1

1

( 1)

k

k 



  



 



Nhận xét: Muấn tăng hiệu suất chu trình turbine cấp nhiệt đẳng tích ta cần tăng tỉ số nén của

máy nén, tăng hệ số tăng áp của quá trình cháy

12.5 Chu trình động cơ phản lực

12.5.1 Chu trình động cơ phản lực không khí

Chu trình và các tính toán hoàn toàn giống với chu trình turbine khí

12.5.2 Chu trình động cơ tên lửa

a Chu trình động cơ tên lửa nhiên liệu rắn

 Nguyên lí làm việc: Thuốc phóng cháy đẳng áp tạo ra dòng khí dãn nở trong loa phụt sinh lực đẩy đẩy động cơ

6

5 4

3

p

q1

3

2

1

4

q2

v

p



p

v

q2

q1

1

2

3

4

Trang 9

Các quá tình làm việc và chu trình nhiệt động của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn

Giả thiết mồi cháy là tức thời và quá trình dãn nở của sản phẩm cháy trong loa phụt là đoạn nhiệt, quá trình phụt khí ra môi trường sinh lực đẩy là quá trình thải nhiệt vào môi trường

 Chu trình nhiệt động động cơ tên lửa nhiên liệu rắn gồm:

- Quá trình mồi cháy đẳng tích 12

- Quá trình cấp nhiệt đẳng áp 23 Ở quá trình này, chu trình nhận nhiệt q từ nguồn nóng:1

q C T  T

- Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 34 sinh công đẩy động cơ

- Quá trình thải nhiệt đẳng áp 41 Ở quá trình này, chu trình thải nhiệt q vào môi trường:2

q C T  T

 Công chu trình sinh ra được biểu thị bằng diện tích hình 1234 và được xác định theo biểu thức:

1 4 3

3

1 1

k k



 Tốc độ dòng khí ra khỏi loa phụt ở chế độ tính toán:

1 4 3

3

2

1 1

k k

RT





 Lực đẩy động cơ ở chế độ tính toán:

1 4 3

3

2

1

k k



Nhận xét: Muốn tăng lực đẩy động cơ phải tăng lưu lượng dòng khí qua loa phụt, tăng hằng số

chất khí, tăng nhiệt độ cuối quá trình cháy và giảm áp suất tại tiết diện ra loa phụt

1

p t

p

 Giả thiết nhiệt độ ban đầu ( )T của động cơ là nhỏ so với nhiệt độ khí thải 1 ( )T và nhiệt mà chu4

trình nhận được ở quá trình mồi cháy (quá trình 12) là rất nhỏ so với nhiệt cung cấp trong quá trình cháy đẳng áp, ta nhận được:

4 3

1

t

T T

  

Vì quá trình 34 là đoạn nhiệt nên:

1

k k



Vậy:

1 4 3

1

k k t

p p





   

Trang 10

Nhận xét: Để tăng hiệu suất nhiệt của chu trình cần tăng áp suất quá trình cháy và giảm áp suất

tại tiết diện ra của loa phụt

b Chu trình động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng

Giả thiết nhiên liệu và chất oxy hóa có thể tích rất nhỏ so với thể tích sản phẩm cháy

Chu trình động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng giống chu trình động cơ tên lửa nhiên liệu rắn, bao gồm: quá trình cháy đẳng áp, dãn nở đoạn nhiệt, chu trình nhiệt động động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng gồm quá trình nén đẳng tích 12, cháy đẳng áp 23, dãn đoạn nhiệt 34 và thải nhiệt đẳng áp 41 Việc tính toán các đại lượng đặc trưng cho chu trình giống như động cơ tên lửa nhiên liệu rắn

c Chu trình động cơ tên lửa nhiên liệu hạt nhân

Sơ đồ cấu tạo động cơ tên lửa nhiên liệu hạt nhân

Buồng đốt động cơ 1 là một lò phản ứng hạt nhân chứa thỏi phản ứng hạt nhân 3, thanh điều khiển 4 và tường phản xạ 5 Giữa thỏi hạt nhân có những rãnh để hyđro lỏng từ bên ngoài bơm qua vách làm lạnh vào lò phản ứng nhận nhiệt của phản ứng hạt nhân biến thành khí có áp suất và nhiệt

độ cao dãn nở qua loa phụt sinh lực đẩy Thanh điều khiển có nhiệm vụ duy trì tốc độ phản ứng hạt nhân không đổi, tường phản xạ phản xạ những tia bức xạ hạt nhân về phía luồng phụt bảo vệ những phương tiện ở phía trước khỏi tác dụng phá hoại

H

2

H2

2 3

4

1 5

Sơ đồ động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng

2 1

3 4 5 6 7 8

1 Bình khí cao áp

2 Thùng chứa nhiên liệu và thùng chứa chất oxi hóa

3 Buồng đốt của turbine

4 Van nhiên liệu và van chất oxi hóa

5 Turbine

6 Bơm nhiên liệu và bơm chất oxi hóa

7 Ống dẫn

8 Loa phụt

Định dạng
Số trang	13
Dung lượng	648 KB