CHU TRÌNH TUABIN KHÍ

- 14 - Hình 13 Sơ đồ T-s với nhiều giai đoạn nén vào giản nở của chu trình tuabin khí lý tưởng với bộ giải nhiệt khí nén, đốt nóng và hồi nhiệt... Chu trình Brayton kín ở động cơ tuabin

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ

**********

BÁO CÁO MỞ RỘNG TIỂU LUẬN NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TRUYỀN

NHIỆT CHU TRÌNH TUABIN KHÍ

GVHD : Trần Văn Hưng Nhóm/Lớp: Nhóm 8/TNMT_

Sinh viên thực hiện:

Trương Công Tây 1710283

HỌC KỲ 182 – NĂM HỌC 2018-2019

Tp Hồ Chí Minh, 05/2019

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH - 2 -

LỜI MỞ ĐẦU - 3 -

I Chu trình tuabin khí – chu trình Brayton và động cơ tuabin khí - 4 -

1 Chu trình tuabin khí – chu trình Brayton - 4 -

2 Động cơ tuabin khí – lịch sử hình thành và phát triển - 4 -

II Nguyên lý hoạt động: - 5 -

1 Chu trình Brayton hở ở động cơ tuabin khí - 5 -

2 Chu trình Brayton kín ở động cơ tuabin khí - 6 -

3 Chu trình Brayton lý tưởng ở động cơ tuabin khí - 6 -

4 Chu trình Brayton thực ở động cơ tuabin khí - 9 -

5 Chu trình tuabin khí có hồi nhiệt - 10 -

6 Chu trình Brayton với bộ giải nhiệt khí nạp, gia nhiệt lại và hồi nhiệt - 12 -

III Ứng dụng thực tế: - 15 -

IV Kết luận: - 17 -

V Tham khảo - 18 -

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Mô hình Động cơ tuabin khí với chu trình Brayton hở - 5 -

Hình 2 Mô hình động cơ tuabin khí với chu trình Brayton kín - 6 -

Hình 3 Đồ thị T-s và P-v của chu trình Brayton lý tưởng - 6 -

Hình 4 Biểu đồ hiệu suất nhiệt của chu trình Brayton với k=1,4 - 8 -

Hình 5 Biểu đồ T-s chu trình Brayton với tỉ số nén thay đổi - 8 -

Hình 6 Sự giảm áp trong quá trình gia nhiệt và giải nhiệt - 9 -

Hình 7 Mô hình động cơ Tuabin khí có hồi nhiệt - 10 -

Hình 8 Biểu đồ T-s của chu trình Brayton có hồi nhiệt - 10 -

Hình 9 Biểu đồ so sánh hiệu suất nhiệt chu trình Brayton khi có và không có bộ hồi nhiệt - 11 -

Hình 10 So sánh công đầu vào với máy nén một cấp (AC) và máy nén hai cấp xen kẽ (ABD) - 12 -

Hình 11 Sơ đồ khối tuabin khí với hai giai đoạn nén cùng giải nhiệt khí nén, giản nở với hai giai đoạn đốt cháy và hồi nhiệt - 13 -

Hình 12 Sơ đồ T-s của một chu trình tuabin khí lý tưởng với bộ giải nhiệt khí nén, đốt nóng và hồi nhiệt - 14 -

Hình 13 Sơ đồ T-s với nhiều giai đoạn nén vào giản nở của chu trình tuabin khí lý tưởng với bộ giải nhiệt khí nén, đốt nóng và hồi nhiệt - 14 -

Hình 14 Động cơ phản lực của Rolls Royce - 15 -

Hình 15 Sơ đồ công nghệ của nhà máy Nhiệt điện Nhơn Trạch 2 - 16 -

Hình 16 Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân với chu trình kín hỗn hợp - 17 -

LỜI MỞ ĐẦU

Song song với quá trình phát triển khoa học kĩ thuật công nghệ để đáp ứng các nhu cầu thiết yếu của xã hội, đặc biệt là về nhu cầu năng lượng và vận tải Với việc ra đời của các loại động cơ chuyển đổi các dạng nhiên liệu thành nhiệt năng,

cơ năng, điện năng sớm đáp ứng các nhu cầu thực tế Ngày nay trong công nghiệp vận tải, đặc biệt là đường hàng không, với việc sử dụng các loại động cơ phản lực, động cơ tuabin khí có công suất lớn nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu về khối lượng trong các phương tiện bay

Việc nghiên cứu và không ngừng cải thiện hiệu quả hoạt động của các loại động cơ là cực kì quan trọng để giải quyết bài toán kinh tế lẫn hiệu suất, nhiên liệu tiêu hao, khối lượng kĩ thuật,… Đặc trưng hoạt động của các loại động cơ nói riêng

và động cơ tuabin khí nói chung thường được biểu diễn trên các loại giản đồ gọi là chu trình Tính toán trên giản đồ của các chu trình mà các kỹ sư có thể giải quyết được các bài toán về hiệu suất và công suất làm việc của động cơ

Trong bài tiểu luận này chúng ta sẽ cùng đi vào phân tích và tìm hiểu về chu trình động cơ tuabin khí cùng quá trình lịch sử của chúng cùng với các ứng dụng thực tế trong đời sống hiện tại

I Chu trình tuabin khí – chu trình Brayton và động cơ tuabin khí

1 Chu trình tuabin khí – chu trình Brayton

Chu trình tuabin khí thực chất là chu trình Brayton với 4 quá trình cơ bản: nén; gia nhiệt; giãn nở và thải nhiệt với các đặc trưng về nhiệt động học riêng biệt

Chu trình Brayton lần đầu tiên được đề xuất bởi George Brayton để sử dụng cho động cơ đốt dầu pittong mà ông đã phát triển vào khoảng năm 1870 Ngày nay, chu trình Brayton chỉ còn được sử dụng cho các tuabin khí khi cả quà trình nén và giãn nở diễn ra trong một hệ thống quay

Vì chu trình tuabin khí là đặc trưng của động cơ tuabin khí, cho nên để dễ phân tích, chúng ta sẽ xét đến các loại động cơ tuabin khí khác nhau tương ứng với các chu trình tuabin khí khác nhau

2 Động cơ tuabin khí – lịch sử hình thành và phát triển

Tuabin khí đã trải qua sự phát triển và tăng tưởng phi thường kể từ khi phát triển thành công đầu tiên vào những năm 1930 Tuabin khí đầu tiên được xây dựng vào những năm 1940 và thậm chí những năm 1950 có hiệu suất chu kỳ đơn giản khoảng 17% do hiệu suất của máy nén và tuabin thấp và nhiệt độ đầu vào tuabin thấp do những hạn chế về luyện kim thời đó Do đó, các tuabin khí chỉ được sử dụng hạn chế mặc dù tính linh hoạt và khả năng đốt cháy nhiều loại nhiên liệu của chúng Những nổ lực để cải thiện hiệu quả chu trình tập trung vào ba lĩnh vực:

1/ Tăng nhiệt độ đầu vào tuabin, đây là phương pháp chính được thực hiện để

cải thiện hiệu suất tuabin khí Nhiệt độ đầu vào tuabin đã tăng đều đặn từ khoảng

540oC (1000oF) trong những năm 1940 đến 1425oC (2600oF) và thậm chí cao hơn hiện nay Những sự tăng nhiệt này thực hiện được nhờ sự phát triển của các vật liệu mới và các kỹ thuật làm mát cải tiến cho các thành phần quan trọng như phủ các cánh tuabin bằng các lớp gốm và làm nóng các cánh quạt bằng khí xả ra từ máy nén Duy trì nhiệt độ đầu vào tuabin cao bằng kỹ thuật làm nóng không khí đòi hỏi nhiệt độ đốt cháy phải cao hơn để bù cho hiệu quả làm mát của không khí Tuy nhiên, nhiệt độ đốt cháy cao hơn làm tăng lượng nito oxit (NOx), nó làm hình thành ozon ở mặt đất và sương mù Sử dụng hơi nước làm chất làm nóng cho phép tăng nhiệt độ đầu vào của tuabin thêm 200oF mà không làm tăng nhiệt

độ đốt cháy Hơi nước cũng là một phương tiện truyền nhiệt hiệu quả hơn nhiều

so với không khí

2/ Tăng hiệu quả của các bộ phần máy nghiền (turbomachinery)[1], hiệu suất

của các tuabin thấp một phần do tổn thất của tuabin và máy nén kém Tuy nhiên,

sự ra đời của máy tính và các kỹ thuật tiên tiến đã giúp thiết kế các bộ phận về mặt khí động học với tổn thất là tối thiểu Tổn thất ở tuabin và máy nén giảm dẫn đến hiệu suất chu trình tăng lên đáng kể

3/ Sửa đổi ở chu trình cơ bản, hiệu suất trong một chu trình đơn giản của

tuabin khí sớm đã tăng gấp đôi bằng cách kết hợp xen kẽ việc tái sinh (hoặc hồi phục) và hâm nóng, sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo Tuy nhiên, những cải tiến này đi kèm với việc tăng chi phí ban đầu và vận hành

II Nguyên lý hoạt động:

1 Chu trình Brayton hở ở động cơ tuabin khí

Hình 1 Mô hình Động cơ tuabin khí với chu trình Brayton hở [1]

Ở chu trình hở, không khí sạch sẽ được hút vào máy nén (compressor) Tại đây, không khí được nén lại, kéo theo tăng áp suất và nhiệt độ Dòng không khí được đưa đến buồng đốt (combustion chamber), hòa lẫn với nhiên liệu (fuel) để đốt đẳng áp Hỗn hợp khí nóng được đưa đến tuabin để giãn nở sinh công và thải

ra ngoài

2 Chu trình Brayton kín ở động cơ tuabin khí

Hình 2 Mô hình động cơ tuabin khí với chu trình Brayton kín [1]

Chu trình kín hoạt động với nguyên lý tương tự chu trình hở, nhưng buồng đốt được thay bằng máy trao đổi nhiệt (heat exchanger) với nguồn nhiệt ngoài,

và tương tự, lưu chất thải ra khỏi tuabin được đưa vào 1 bộ trao đổi nhiệt khác để giải nhiệt và quay lại máy nén Nói cách khác, dòng lưu chất trong chu trình là độc lập với môi trường bên ngoài

3 Chu trình Brayton lý tưởng ở động cơ tuabin khí

Hình 3 Đồ thị T-s và P-v của chu trình Brayton lý tưởng [1]

1-2 nén đẳng entropy (trong máy nén) 2-3 gia nhiệt đẳng áp (tại buồng đốt) 3-4 giãn nở đẳng entropy (tại tuabin) 4-1 thải nhiệt đẳng áp

Xét các quá trình trong chu trình đều có dòng lưu chất (không khí) chảy ổn định, ta có phương trình cân bằng năng lượng:

(𝑞𝑖𝑛 + 𝑞𝑜𝑢𝑡) + (𝑤𝑖𝑛 − 𝑤𝑜𝑢𝑡) = 𝑖𝑒𝑥𝑖𝑡 − 𝑖𝑖𝑛

Từ đó, nhiệt năng cấp vào cho chu trình là:

𝑞𝑖𝑛 = 𝑖3− 𝑖2 = 𝑐𝑝(𝑇3− 𝑇2) Nhiệt năng thải ra là:

𝑞𝑜𝑢𝑡 = 𝑖4− 𝑖1 = 𝑐𝑝(𝑇4− 𝑇1) Vậy, hiệu suất nhiệt của chu trình Brayton lý tưởng là:

𝜂𝑡 = 𝑤

𝑞𝑖𝑛 = 1 −

𝑞𝑜𝑢𝑡

𝑞𝑖𝑛 = 1 −

𝑐𝑝(𝑇4− 𝑇1)

𝑐𝑝(𝑇3− 𝑇2)= 1 −

𝑇1(𝑇𝑇4

𝑇2(𝑇𝑇3

Vì quá trình 1-2 và 3-4 là quá trình đẳng entropy, quá trình 2-3 và 4-1 là đẳng áp cho nên:

𝑇2

𝑇1 = (

𝑃2

𝑃1)

𝑘−1 𝑘

= (𝑃3

𝑃4)

𝑘−1 𝑘

=𝑇3

𝑇4 Thay biểu thức trên vào phương trình hiệu suất nhiệt ta có:

𝜂 = 1 − 1

𝑟𝑝(𝑘−1)/𝑘

Trong đó, 𝑟𝑝 =𝑃2

𝑃1 là tỉ số tăng áp trong quá trình nén (tại máy nén); k là hệ số

mũ đoạn nhiệt, thường thì tỉ lệ khối lượng giữa không khí và nhiên liệu thường lớn hơn 50 nên ta thường xem lưu chất trong chu trình là không khí

Ta thấy, hiệu suất nhiệt của chu trình phụ thuộc vào tỉ số nén và hệ số mũ đoạn nhiệt của lưu chất tham gia trong chu trình Cùng một lưu chất, nếu ta tăng

tỉ số nén, hiệu suất nhiệt sẽ tăng như biểu đồ sau đây

Hình 4 Biểu đồ hiệu suất nhiệt của chu trình Brayton với k=1,4

Nhưng nhiệt độ T3 (tại tuabin) của chu trình bị giới hạn bởi khả năng chịu nhiệt của vật liệu, do đó nó cũng giới hạn tỉ số nén của chu trình Vậy trong một

hệ thống xác định, với nhiệt độ giới hạn xác định, nếu ta tăng rp thì hiệu suất tăng, khi đạt rp max thì η = ηmax, sau đó hiệu suất bắt đầu giảm dần

Hình 5 Biểu đồ T-s chu trình Brayton với tỉ số nén thay đổi [1]

Trên biểu đồ ta cũng thấy rằng, công sinh ra trong mỗi chu trình cũng tỉ lệ với

tỉ số rp Nếu rp vượt quá rp max thì công sinh ra giảm dần Mà công sinh ra giảm thì lưu lượng khối lượng của lưu chất phải tăng để giữ nguyên công suất, kéo theo hệ thống sẽ lớn hơn, gây lãng phí

→ Phải tìm được tỉ số nén phù hợp cho từng hệ thống để có được hiệu quả kinh

tế tốt nhất Thường các hệ thống tuabin khí có rp nằm trong khoảng 11-16

4 Chu trình Brayton thực ở động cơ tuabin khí

Trong thực tế, trong quá trình gia nhiệt và giải nhiệt thường xảy ra sự sụt giảm

áp suất Quan trọng hơn, có sự chệnh lệch giữa công sinh ra và công đưa vào do chu trình không thuận nghịch

Hình 6 Sự giảm áp trong quá trình gia nhiệt và giải nhiệt [1]

Ở biểu đồ trên, 2a và 4a là trạng thái của lưu chất khi ra khỏi máy nén và tuabin trong thực tế, 2s và 4s tương ứng với chu trình lý tưởng

Sự khác biệt trên được thể hiện qua hệ số hiệu suất đẳng entropy

Hiệu suất máy nén:

𝜂𝑐 = 𝑖2𝑎− 𝑖1

𝑖2𝑠− 𝑖1

Hiệu suất tuabin:

𝜂𝑡 =𝑖3− 𝑖4𝑎

𝑖3− 𝑖4𝑠 Đặc biệt, công tiêu hao trên máy nén chiếm từ 40% đến 80% công sinh ra trên tuabin, nên hiệu suất máy nén và hiệu suất tuabin ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất nhiệt của cả hệ thống Do đó, việc nâng cao hiệu suất máy nén và hiệu suất

5 Chu trình tuabin khí có hồi nhiệt

Hình 7 Mô hình động cơ Tuabin khí có hồi nhiệt [1]

Trong động cơ tuabin khí, nhiệt từ khí thải ra rất lớn, lớn hơn nhiều so với dòng khí đi vào buồng đốt (trừ các động cơ có tỉ số nén rất lớn), nên để tăng hiệu suất nhiệt, người ta dùng nhiệt thải để gia nhiệt cho dòng khí đi vào buồng đốt Đó là chu trình tuabin hồi nhiệt (regenerator)

Hình 8 Biểu đồ T-s của chu trình Brayton có hồi nhiệt [1]

Với hồi nhiệt lý tưởng, nhiệt độ lớn nhất của bộ hồi nhiệt là T4, ứng với nhiệt độ của khí ra khỏi tuabin Nhiệt độ dòng khí đi ra bộ hồi nhiệt là T5’ =T4 Nhiệt truyền lý tưởng qua bộ hồi nhiệt là:

𝑞𝑚𝑎𝑥 = 𝑖5′− 𝑖2 = 𝑖4− 𝑖2

Trong thực tế, nhiệt độ dòng khí đi ra thấp hơn T4, ứng với T5 trên biểu đồ Nhiệt truyền thực tế qua bộ hồi nhiệt là:

𝑞𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑖5− 𝑖2 Vậy hiệu suất hồi nhiệt của bộ hồi nhiệt là:

𝜖 =𝑞𝑚𝑎𝑥

𝑞𝑟𝑒𝑎𝑙 =

𝑖5− 𝑖2

𝑖4− 𝑖2 Nếu sử dụng không khí tự nhiên:

𝜖 = 𝑇5− 𝑇2

𝑇4− 𝑇2 Hiệu suất bộ hồi nhiệt càng lớn thì năng lượng tiết kiệm được càng nhiều, nhưng lại khiến cho bộ hồi nhiệt lớn hơn, giá thành tăng cao và làm tăng sự sụt áp Vì vậy, phải cân bằng các yếu tố khi sử dụng bộ hồi nhiệt để có hiểu quả kinh tế cao nhất Thường thì hiệu suất các bộ hồi nhiệt nằm dưới mức 0.85

Khi sử dụng bộ hồi nhiệt, hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng là:

𝑇3) 𝑟𝑝

(𝑘−1)/𝑘

Hiệu suất nhiệt phụ thuộc vào tỉ số nén và tỉ số nhiệt độ T1/T3 Theo đồ thị bên ta thấy, bộ hồi nhiệt hoạt động tốt nhất khi tỉ số nén và tỉ số nhiệt độ thấp

Hình 9 Biểu đồ so sánh hiệu suất nhiệt

chu trình Brayton khi có và không có bộ

6 Chu trình Brayton với bộ giải nhiệt khí nạp, gia nhiệt lại và hồi nhiệt

Ta biết rằng công suất cần thiết để nén khí giữa hai áp suất có thể làm giảm

đi bằng cách thực hiện quá trình nén theo các giai đoạn và làm mát khí ở

giữa[1] (hình 10), bằng cách sử dụng nén đa tầng xen kẽ Khi số lượng giai

đoạn được tăng lên, quá trình nén trở nên gần như đẳng nhiệt ở nhiệt độ đầu vào máy nén và công nén giảm

Hình 10 So sánh công đầu vào với máy nén một cấp (AC) và máy nén hai cấp xen kẽ (ABD)

Tương tự, công sinh ra của tuabin giữa hai mức áp suất có thể được tăng lên bằng làm giản nở khí theo các giai đoạn và được gia nhiệt trong các giai đoạn Điều này được thực hiện mà không làm tăng nhiệt độ tối trong trong chu trình Khi số lượng các giai đoạn được tăng lên, quá trình giản nở trở nên gần như đẳng nhiệt Yêu cầu rằng, thể tích riêng của lưu chất làm việc phải càng thấp càng tốt trong quá trình nén và càng cao càng tốt trong quá trình

giản nở Điều này được thực hiện là nhờ có bộ giải nhiệt khí nạp và bộ gia nhiệt tác dụng vào quá trình

Sơ đồ thể hiện một chu trình tuabin khí hai giai đoạn lý tưởng với việc làm

mát, gia nhiệt lại và hồi nhiệt được thể hiện trong hình 11 và hình 12 Khí đi

vào máy nén ở trạng thái (1), được nén đoạn nhiệt đến áp suất P2, làm lạnh đẳng áp đến nhiệt độ T3 = T1, sau cùng nén đoạn nhiệt đến áp suất P4 Ở trạng thái (4), khí được đi vào bộ hồi nhiệt, ở đây nó được nhận nhiệt nóng lên đến nhiệt độ T5 ở áp suất không đổi.Trong bộ hồi nhiệt lý tưởng, khí rời khỏi bộ hồi nhiệt ở nhiệt độ khí thải của tuabin, có nghĩa T5 = T9 Quá trình đốt cháy

ở buồng đốt diễn ra giữa các trạng thía (5) và (6) Khí đi vào phần thứ I của tuabin ở trạng thái (6) và giản nở đoạn nhiệt đến trạng thái (7), sau đó khí đi vào thiết bị gia nhiệt, gia nhiệt đẳng áp đến trạng thái (8) (T8 = T6), khí tiếp tục đi vào phần thứ II của tuabin Rồi thoát ra khỏi tuabin ở trạng thái (9) và

đi vào bộ hồi nhiệt, tại đây khí được làm mát đẳng áp đến trạng thái (10) Cần lưu ý rằng, tại bộ hồi nhiệt, nhiệt lượng được nhả ra trong quá trình (9-10) để làm tăng nhiệt độ cho quá trình (4-5) Chu trình hoàn thành bằng cách làm mát khí về trạng thái ban đầu (hoặc làm sạch khí thải) Ở đây, ta có thể nhận thấy rằng nhiệt lượng tỏa ra của khí ở bộ hồi nhiệt (quá trình 9-10) được truyền cho khí sau khi đi qua máy nén II đi vào bộ hồi nhiệt (quá trình 4-5)

Trong chu trình này, để có hiệu suất tốt nhất, ta có:

𝑃2

𝑃1=

𝑃4

𝑃3 𝑣à

𝑃6

𝑃7=

𝑃8

𝑃9 Khi phân tích các chu trình tuabin khí thực tế, ta cần xét đến các quá trình bất thuận nghịch có trong máy nén, tuabin, thiết bị hồi nhiệt cũng như việc giảm áp suất trong các bộ trao đổi nhiệt Tỷ lệ năng lượng (nhiệt lượng) trở lại chu trình được cải thiện nhờ kết quả của quá trình làm mát và hâm nóng Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là hiệu quả nhiệt cũng được cải thiện Thực tế, xen kẽ hâm nóng luôn làm giảm hiệu suất nhiệt, trừ khi chúng đi

kè với quá trình hồi nhiệt (tái sinh) Điều này là do việc xen kẽ các quá trình làm giảm nhiệt độ trung bình tại đó, nhiệt được thêm vào và nhiệt hâm nóng làm tăng nhiệt độ trung bình

Nếu số lượng nén và giản nở tăng lên, chu trình tuabin khí lý tưởng với việc làm mát, gia nhiệt và hồi nhiệt tiến

gần đến chu trình Ericsson (hình 13)

Và hiệu suất nhiệt sẽ đã đến giới hạn lý thuyết là hiệu suất của chu trình Carnot Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều hơn hai hoặc ba giai đoạn tốn khá nhiều chi phí, gây ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế

Hình 12 Sơ đồ T-s của một chu trình

tuabin khí lý tưởng với bộ giải nhiệt

khí nén, đốt nóng và hồi nhiệt

Hình 13 Sơ đồ T-s với nhiều giai đoạn

nén vào giản nở của chu trình tuabin khí

lý tưởng với bộ giải nhiệt khí nén, đốt

nóng và hồi nhiệt.