Chương 2 môi chất công tác

01/11/2015 CHƯƠNG CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Những kiến thức quan trọng nhiệt kỹ thhuật dùng nguyên lý động 2.2 Khái niệm 2.3 Các chu trình lý tưởng 2.4 Phân tích chu trình lý tưởng 2.5 So sánh chu trình Mục đích • Nghiên cứu q trình nhiệt xảy động cơ, xây dựng mối quan hệ toán học tương đối đơn giản tiêu kỹ thuật động bao gồm hiệu suất, công suất, với nhân tố chủ yếu chu trình cơng tác • Đánh giá mức độ hồn thiện q trình ấy, sở xác định phương hướng chủ yếu nâng cao chất lượng làm việc động 01/11/2015 Nội dung Những kiến thức quan trọng nhiệt kỹ thuật dùng nguyên lý động Khái niệm Các chu trình lý tưởng động đốt Phân tích chu trình lý tưởng So sánh chu trình 2.1 Những kiến thức quan trọng nhiệt kỹ thuật dùng động đốt trong 2.1.1 Các thông số trạng thái 2.1.2 Phương trình trạng thái 2.1.3 Tỷ nhiệt 2.1.4 Định luật động học thứ 2.1.5 Các trình 01/11/2015 2.1.1 Các thơng số trạng thái: • • • • • • Áp suất môi chất Nhiệt độ T: T=t0C + 273 0K Thể tích V V Thể tích đơn vị khối lượng: v = G G  = Khối lượng riêng: V Khối lượng:G 2.1.2 Phương trình trạng thái: Phương trình trạng thái khí lý tưởng: PV=GRT PV=MmRT G: Khối lượng M: Số Kmol m: Số phân tử lượng R: Hằng số khí mR=8314 KJ/Kmol độ 01/11/2015 2.1.3 Tỷ nhiệt: C= dq dt Tỷ nhiệt môi chất tỷ số vi lượng biến thiên nhiệt lượng với vi lượng biến thiên nhiệt độ Ta có: dq=Cdt C: tỷ nhiệt trung bình mCp – mCv=mR=8314 KJ/Kmol độ mCv, mCp: tỷ nhiệt mol đẳng tích đẳng áp k=mCv/mCp : Chỉ số đoạn nhiệt K= mCp = 8314 mCv mCv = 8314 k -1 mCp = 8314 K K -1 2.1.4 Định luật nhiệt động thứ nhất: nhất: Q = U + L Q: biến đổi nhiệt lượng U: biến đổi nơị L: cơng chu trình hay dq = Cvdt + pdv Nhiệt lượng cung cấp cho chu trình dùng để sinh công biến đổi nội mơi chât 01/11/2015 2.1.5 Các q trình: 2.1.5.1 Q trình đẳng tích: v=const P1V=RT1 P2V=RT2 P P T = T Q = U + L L = PdV = Q = U = Cv (T2 – T1) dq = CvdT ds = dq CvdT = T T S = Cv ln T2 P = Cv ln T1 P1 2.1.5.2 Quá trình đẳng áp:P=const PV1 = RT1 PV2 = RT2 V2 T2 = V1 T1 Q = U + L L = P (V2 – V1) U = Cv(T2 – T1) Q = (U2 + PV2) – (U1 + PV1) dq = CvdT + pdV = CvdT + RdT = dT (Cv + R) = CpdT dq dT = Cp T T T V S = Cp ln = = Cp ln T1 V1 ds = 01/11/2015 2.2 Khái niệm: 2.2.1 Giả thuyết 2.2.2 Các tiêu cần nghiên cứu 2.2.1 Giả thiết Mơi chất cơng tác hồn tồn thể khí Q trình nén giãn nở môi chất công tác biến đổi đoạn nhiệt Không có trở lực nạp thải khí, thay đổi thể tích điều kiện khí trời Q trình cháy thay việc cấp lượng nhiệt Q1 lượng nhiệt trình thải lấy thay Q2 Tỉ nhiệt môi chất không thay đổi 01/11/2015 2.2.2 Các tiêu cần nghiên cứu cứu:: 1.Tính kinh tế: Tính kinh tế chu trình đặc trưng hiệu suất nhiệt  tỉ số lượng nhiệt chuyển biến thành công chia cho lượng nhiệt cấp cho môi chất công tác ht = L Q Q1 - Q = 1- = t Q1 Q1 Q1 Q1: nhiệt lượng cấp cho chu trình Q2: nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh Lt : cơng chu trình 2.Tính hiệu Tính hiệu đặc trưng công đơn vị chu trình tức cơng tương ứng với đơn vị thể tích cơng tác xi lanh Pt gọi áp suất bình quân, là áp suất tưởng tượng, khơng đổi, sau hành trình piston phát sinh cơng cơng chu trình Pt = Lt ; N / m2 Vh 01/11/2015 2.2.3 Các chu trình lý tưởng: Chu trình hỗn hợp Chu trình đẳng tích Chu trình đẳng áp • Chu trình hỗn hợp (Sabathes) 01/11/2015 Chu trình hỗn hợp chu trình lý tưởng động Diesel, động có cầu giữ nhiệt Đặc trưng cấp nhiệt ban đầu thể tích khơng đổi cy sau với áp suất không đổi yz Số lượng nhiệt đưa vào: Q1 = Q’1 + Q’’1 Nhiệt thải trạng thái thể tích khơng đổi Là chu trình lý tưởng động Diesel đại 01/11/2015 Định nghĩa Va Vc P l= z Pc V V r= z = z Vy Vc e= Tỷ số nén Tỷ số tăng áp suất Tỷ số giãn nở sớm d= Tỷ số giãn nở sau Vb Vz rd = Vz Va Va = =e Vc Vz Vc Hiệu suất nhiệt ht = Q1 - Q2 Q = 1- Q1 Q1 Q1 = Q1' + Q1'' = mCv (Ty –Tc) + mCp (Tz –Ty) Q2 = mCv (Tb –Ta) ht = 1- ht = 1- mCvTb - Ta  mCvTy - Tc  mCpTz - Ty  Tb - Ta  T - T  kT - T  y c z y 10 01/11/2015 Áp suất bình quân Pt R Pa e k -1l -  klr - 1eht Pt = k - R e - 1 Pa e k l -  klr - 1h t Pt = k - 1e - 1 2.3.2 Chu trình đẳng tích (Chu trình Otto) V Đặc trưng cấp nhiệt Q1 điều kiện thể tích khơng đổi, lại giống chu trình hỗn hợp 14 01/11/2015 V=Ct  r=1, d = e Hiệu suất nhiệt Ap suất bình quân h tv = - e k -1 Pa e k l - 1h t Pt = k -1 e -1 15 01/11/2015 2.3.3 Chu trình đẳng áp  Chu trình đặc trưng cấp nhiệt Q1 đẳng áp, phần khác giống chu trình hỗn hợp  Là chu trình lý tưởng động Diesel phun nhiên liệu khơng khí nén l= Pz =1 Pc • Hiệu suất nhiệt áp suất bình quân ht = - e k -1 rk - k r - 1 Pa e k Pt = k r - 1h t k -1 e -1 16 01/11/2015 2.4 Phân tích chu trình lý tưởng 2.4.1 Chu trình đẳng tích Ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt: e htv phụ thuộc vào 1đại lượng tỷ số n né én h = tv e (thông số kết cấu) e k -1số nén đoạn nhiệt k, tức phụ thuộc vào tình chất mơi chất cơng tác Hiệu suất nhiệt chu trình khơng phụ thuộc vào lượng nhiệt cấp vào phụ tải động e= Va Vc k= Cp với k>1 Cv Nên e tăng ht lớn Tỉ số nén c cà àng cao máy c cà àng đở tốn xăng 17 01/11/2015 k= Cp Cv = Cv  R R = 1 Cv Cv • Vì chất khí nên R=const, nên muốn k tăng, phải giảm Cv Việc thay đổi k thực tế không làm được, tăng k cách tăng  • Với giá trị e k cho ht không thay đổi, tức không phụ thuộc công chu trình • Khi tăng e áp suất cuối trình giản nở giảm nhiệt giảm Điều dẫn đến làm giảm lượng nhiệt truyền cho nguồn lạnh, tức giảm mất nhiệt Áp suất bình quân Pt: 18 01/11/2015 e kht l - 1 Pt = Pa k - 1e - 1 (2) •Pt tỷ lệ thuận với áp suất đầu q trình nén Pa Pa có ảnh hưởng đến cơng chu trình cơng suất động •Khi Q1=const, tăng e Pt tăng l có giảm đơi chút từ (2)  Q1 l= C v Ta e k -1 1 - Khi e tăng thì Pt tăng tăng chậm so với ht • Khi giữ ngun e tăng l Pt tăng, Pt tăng nhanh so với mức tăng l • KẾT LUẬN: Như tăng tỷ số nén e biện pháp tốt để tăng ht Pt tỷ số nén động xăng động ga bị han chế tượng cháy sớm kích nổ exăng=  12; ega =  12 ; edầu hoả = 4,5  5,2 Thực tế: • - Đốt nhiều nhiên liệu xăng tức l tăng Pt tăng • - Pa tăng Pt tăng nghĩa điều khiển chế hồ khí cho phù hợp 19 01/11/2015 2.4.2 Chu trình đẳng áp: ht = - e k -1 rk - k r - 1 Từ công thức ta thấy ht phụ thuộc tỷ số nén e số k mà phụ thuộc vào tỷ số giản nở sớm r  Ảnh hưởng e, k đến ht giống chu trình đẳng tích 20 01/11/2015  Còn ảnh hưởng r th thìì r tăng tăng,, ht giảm,, r có quan hệ trực tiếp tới số nhiên liệu giảm cấp vào Q1, tức có quan hệ trực tiếp tới trị số cơng chu tr trìình nh,, cơng chu trìình có quan hệ tới ht tr Cơng chu trình tăng lên (tức r tăng tăng)) ht giảm giảm ht cực đại mà số nhiên liệu Q1 cấp phần cz nhỏ nhất • Trên thực tế hiệu suất nhiệt động cực đại động làm việc không tải tức chuyển biến nhiệt thành công xãy kinh tế nhất Ảnh hưởng đến Pt tương tự chu trình đẳng tích tích 21 01/11/2015 2.4.3 Chu trình hỗn hợp: Ảnh hưởng đến ht: Nhiệt lượng Q1 đưa vào phân bố phần đẳng tích đẳng áp Nếu Q1=const tuỳ theo phân bố mà l r có giá trị khác Ta có: : Q1 = Q’1 + Q’’1 = const Q1 = C v Ta e k -1 l -  kl r - 1 = const Khi cho e, k, Ta, mCv khơng đổi thì:: l -  klr - 1e k -1 = Q1 = A = const C v Ta Cho gía trị l khác suy r tương ứng ngược lại lại lr k - lr k -1 h t = - k -1 =1A e l -  klr - 1   d lr k dr = r k  kr k -1l dl dl 22 01/11/2015 Đặt B = l -  kl r - 1 = const ta có có dB = dl  k r - 1dl  kldr = kl dr = -1  k r - 1 dl Thay kl dr v PT ta dl   d lr k = r k  r k -1 1  k r - 1 dl Khi Q1=const, tăng l k>1 r nên rk-1 > 0, r -1  0, 1-k < 0, nghĩa vi phân theo l âm Nghĩa điều kiện Q1=const ta tăng l r giảm k lrk giảm, suy lr - giảm, ht tăng  d lr dl A k  = r r - 11 - k  = - r r - 1k - 1 k -1 k -1 Khi l max r=1 tăng cấp nhiệt đẳng tích hiệu suất lớn, htmin rmax, l=1 23 01/11/2015 Áp suất bình quân Pt: Pa ek Pt = l - 1  klr - 1h t e - 1 k - 1 •Khi ht tăng Pt tăng tăng - Khi r=const, tăng l Pt tăng - Nếu r  const, mà l = const tăng r tăng áp suất bình quân Pt tăng - Tăng Q1 nghĩa tăng B, tăng Pa Pt tăng tăng Tăng Q1 có nghĩa làm cháy hết nhiên liệu liệu,, cần đưa nhiều khơng khí vào 2.5 So sánh loại chu trình: 2.5.1 Cùng e, Q1: 24 01/11/2015 Trạng thái điểm a chu trình sau •Với chu trình đẳng tích V=const ds = dq  dq = Tds T 2 Q12 =  dq =  Tds = Fa12 1 •ac : nén đoạn nhiệt •Czv: cấp nhiệt đẳng tích Q1=F1czv2v •zvbv: giản nở đoạn nhiệt Q=0 •bva: Nhả nhiệt đẳng tích Q2v=F1abv2v •Đối với chu trình đẳng áp P=const • Điểm a c trùng với e • Đường cấp nhiệt đẳng áp thoải đường cấp nhiệt đẳng tích mà Q1 buộc điểm zp nằm ngo ngồ ài zvbv để • Q1=F1czv2v + F1czp2p •Nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh chu trình đẳng áp Q2p=F1abp2p • Ta thấy Q2p>Q2v: Q2p=Q2v+F2vbvbp2p • htp < htv 25 01/11/2015 • Đối với chu trình cấp nhiệt hỗn hợp - Điểm a,c trùng từ c theo czv đến z’ song song với czp thoả mãn Q1=F1acz’z2, đường z2 gặp abp tại: ht = F Q1 - Q Q = - = - 1ab Q1 Q1 F1cz 'z - So sánh F1abv2v htp 2.5.2 Cùng Q1, Pz - - Trên quan điểm thực tế phải tiến hành so sánh chu trình điều kiện trị số áp suất cực đại Pz = Pcl lượng nhiệt đưa vào Q1 Đẳng tích: acvzvbv Đẳng áp : acpzpbp Hỗn hợp : acz'zb Q1p = F1cpzp2p Q1v = F1cvzv2v Q2p = F1cvzv2v Q2v = F1abv2v Ta thấy Q2p < Q2vp < Q2v 26 01/11/2015 Nên htp > htvp > htv Do trị số áp suất cực đại Pz với tỷ số nén e khác nhau, chu trình đẳng áp kinh tế so với chu trình đẳng tích có tỷ số nén nhỏ Chu trình hỗn hợp có trị số trung gian l r định 27 01/11/2015 Trong thực tế động Diesel hiệu suất cao động xăng làm việc với chu trình kinh tế tỷ số nén lớn nhiều so với động xăng T P z3 Z3 Z2 Z1 z2 z1 c3 c2 c1 b1 C3 b1 b2 C2 C1 b2 b3 b3 a a V S 28 ... ln T1 V1 ds = 01/11 /20 15 2. 2 Khái niệm: 2. 2.1 Giả thuyết 2. 2 .2 Các tiêu cần nghiên cứu 2. 2.1 Giả thiết Môi chất cơng tác hồn tồn thể khí Q trình nén giãn nở môi chất công tác biến đổi đoạn nhiệt... ngo ngồ ài zvbv để • Q1=F1czv2v + F1czp2p •Nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh chu trình đẳng áp Q2p=F1abp2p • Ta thấy Q2p>Q2v: Q2p=Q2v+F2vbvbp2p • htp < htv 25 01/11 /20 15 • Đối với chu trình cấp... acvzvbv Đẳng áp : acpzpbp Hỗn hợp : acz'zb Q1p = F1cpzp2p Q1v = F1cvzv2v Q2p = F1cvzv2v Q2v = F1abv2v Ta thấy Q2p < Q2vp < Q2v 26 01/11 /20 15 Nên htp > htvp > htv Do trị số áp suất cực đại Pz