Bài giảng môn học nhiệt động kỹ thuật (đại học thủy lợi)

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 BÀI I GIỚI THIỆU VỀ CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG (CTNĐ) CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Định nghĩa chu trình nhiệt động - Để biến nhiệt thành công máy nhiệt phải dùng chất môi giới cho chất môi giới giãn nở - Muốn nhận công liên tục chất môi giới phải giãn nở liên tục Nhưng môi chất khơng thể giãn nở kích thước máy có hạn → Vì muốn nhận cơng liên tục sau giãn nở phải nén môi chất để trở trạng thái ban đầu tiếp tục giãn nở, nén lần thứ hai…  Chu trình nhiệt động chu trình chất mơi giới thay đổi trạng thái cách liên tục lại trở trạng thái ban đầu CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Phân loại chu trình nhiệt động a Chu trình thuận chiều: Chu trình tiến hành theo chiều kim đồng hồ (trên đồ thị trạng thái) gọi chu trình thuận chiều (hình 1) p a a’ l0>0 b b’  Chu trình biến nhiệt thành công (công sinh mang dấu dương), đường cong giãn nở (1a2) nằm phía đường cong nén (2b1)  Máy nhiệt làm việc theo chu trình gọi động nhiệt 1’ 2’ v Hình Chu trình thuận chiều CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Phân loại chu trình nhiệt động b.Chu trình ngược chiều: Chu trình làm việc theo chiều ngược kim đồng hồ gọi chu trình ngược chiều (hình 2)  Chu trình tiêu hao công (công đưa vào mang dấu âm), đường cong nén (2b1) nằm đường cong giãn nở (1a2)  Máy p b b’ l0 ; Lo < Q1 L0 T1 Q1 Q2 T2 Hình Nguyên lý làm việc đơng nhiệt CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Nguyên lý làm việc thiết bị nhiệt 3.2 Nguyên lý làm việc máy lạnh bơm nhiệt: Máy lạnh bơm nhiệt máy nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều  Nguyên lý làm việc: Tiêu hao công Lo (hoặc nhiệt năng) để môi chất nhận nhiệt Q2 từ nguồn lạnh có nhiệt độ T2 truyền lượng nhiệt Q2 với cơng Lo cho nguồn nóng có nhiệt độ T1 Q1  Q2  L0 + Máy lạnh sử dụng nhiệt Q2 để làm lạnh vật + Bơm nhiệt sử dụng nhiệt Q1 để sưởi, sấy vật CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Nguyên lý làm việc thiết bị nhiệt 3.2 Nguyên lý làm việc máy lạnh bơm nhiệt: Q1  Q2  L0 L0 T1 Q1 Q2 T2 Hình Nguyên lý làm việc Máy lạnh Bơm nhiệt CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Cơng chu trình Cơng chu trình cơng mơi chất tác dụng tới môi trường chất môi giới thực chu trình Ký hiệu: Lo (J) lo (J/kg) 4.1 Cơng chu trình tính theo cơng QT: - Vì d(pv) = pdv + vdp, chu trình trình khép kín :  d  pv    pdv   vdp - Vì tích số pv hàm trạng thái :  d  pv   n  pdv   l i 1 n  vdp     vdp    lkt i 1 i i CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Phân loại máy lạnh theo môi chất lạnh + Máy lạnh dùng hơi: - Khi áp suất buồng lạnh p = bar, nhiệt độ sôi tương ứng môi chất sau: STT Môi chất Nhiệt độ sôi, 0C NH3 -34 Frêon R12 (CF2Cl2) -30 Frêon R22 (CHF2Cl) -40 CO2 -78 - Amôniac thường sử dụng máy lạnh (hoặc bơm nhiệt) công nghiệp để sản xuất nước đá, làm đông lạnh… nhiệt hố NH3 lớn nên cho cơng suất lớn - Các loại Frêon thường sử dụng máy lạnh sinh hoạt như: tủ lạnh, tủ đá,… khơng địi hỏi cơng suất lớn ưu điểm Frêon khơng mùi, khơng độc CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Chu trình máy lạnh dùng có máy nén 2.1 Sơ đồ máy lạnh Môi chất chất lỏng dễ bay như: NH3, CO2, Frêon… I - Máy nén II - Dàn ngưng III - Van tiết lưu IV - Buồng lạnh có dàn bay p2 T II I III VI x=0 p1 2.2 Chu trình làm việc máy lạnh: p1 q2 1-2: Là trình nén đoạn nhiệt máy nén I 2-3-4: Là trình ngưng đẳng áp dàn ngưng II 4-5: Là trình tiết lưu van tiết lưu III 5-1: Là trình bay xảy dàn bay buồng lạnh IV x=1 s CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Chu trình máy lạnh dùng có máy nén 2.3 Ngun lý làm việc máy lạnh - Hơi bão hoà khô từ buồng lạnh IV hút vào máy nén I - Trong máy nén, bão hồ khơ nén từ p1 tới p2 trở thành nhiệt (điểm 2) - Hơi nhiệt có p2 vào dàn ngưng II làm lạnh đẳng áp p2 = const nhờ khơng khí nước làm mát - Sau dàn ngưng chất lỏng sơi có áp suất p2 biểu diễn điểm - Chất lỏng sôi tiết lưu qua van tiết lưu III → Áp suất giảm từ p2 đến p1 nhiệt độ thấp nhiệt độ buồng làm lạnh - Sau van tiết lưu bão hồ ẩm có độ khơ x đó, vào dàn bay đặt buồng lạnh IV, nhận nhiệt từ vật cần làm lạnh → Hơi bão hoà ẩm trở thành bão hồ khơ vào máy nén tiếp tục chu trình CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Chu trình máy lạnh dùng có máy nén 2.4 Các đại lượng đặc trưng chu trình: q q   Hệ số làm lạnh:   l q q 2 Trong đó: q1: Là nhiệt lượng môi chất lạnh nhả dàn ngưng; |q1| = i2 – i4 q2: Là nhiệt lượng môi chất lạnh nhận từ buồng lạnh; q2 = i1 – i5 l0: Là cơng tiêu tốn chu trình; |l0| = |q1| - q2 = (i2-i4) - (i1 – i5) Vì i4 = i5 (qua van tiết lưu) nên |l0| = i2 - i1 q i i   l i i Thay q2 l0 vào PT trên: CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Chu trình máy lạnh dùng có máy nén 2.4 Các đại lượng đặc trưng chu trình:  Năng suất lạnh: Q0 = Gq2 Trong đó: Q0: Là suất lạnh, W (hoặc kcal/h) G : Là lưu lượng chất làm lạnh máy lạnh, kg/s  Công suất tiêu hao máy nén hơi: N = Gl0 Trong đó: N : Là cơng suất tiêu hao, W CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Chu trình máy lạnh hấp thụ 3.1 Khái niệm Thay trình nén máy nén bình hấp thụ để hấp thụ mơi chất p1 thành dung dịch dùng bơm (tiêu tốn điện so với máy nén) tăng áp suất đưa dung dịch lên bình tách (bình sinh hơi) áp suất p2 để tạo áp suất Vì phải dùng dung dịch gồm hai chất lỏng có nhiệt độ sơi khác nhau, áp suất, chất lỏng có nhiệt độ sơi thấp sử dụng làm môi chất lạnh, chất lỏng có nhiệt độ sơi cao dùng làm chất hấp thụ CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Chu trình máy lạnh hấp thụ 3.1 Khái niệm Các cặp chất lỏng thường hay sử dụng:  Cặp NH3 - H2O : NH3 môi chất lạnh, H2O chất hấp thụ Ví dụ: Khi p = bar tsNH3 = 10C, tsH2O = 159C  Cặp H2O – LiBr : H2O môi chất lạnh, LiBr chất hấp thụ CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Chu trình máy lạnh hấp thụ 3.2 Sơ đồ nguyên lý máy hấp thụ q1 qk - Buồng làm lạnh q2 qht - Bình ngưng 3,7- Van tiết lưu NH3/H2O - Bình sinh - Bình hấp thụ - Bơm dung dịch CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Chu trình máy lạnh hấp thụ 3.2 Sơ đồ nguyên lý máy hấp thụ Giả sử máy lạnh sử dụng cặp môi chất H2O-NH3  Cấp nhiệt q1 cho bình sinh chứa H2O-NH3 có áp suất p1, NH3 bay trước, ta có NH3 áp suất p1 - Hơi NH3 vào bình ngưng ngưng tụ thành NH3 lỏng có p1 - NH3 lỏng qua van tiết lưu áp suất giảm từ p1 tới p2 nhiệt độ giảm từ ts1 tới nhiệt độ thấp nhiệt độ buồng làm lạnh - Sau tiết lưu có bão hịa ẩm với độ khơ x - Hơi bão hoà ẩm NH3 vào dàn bay buồng lạnh 3, nhiệt độ bão hồ ẩm NH3 thấp nhiệt độ buồng lạnh nên nhận nhiệt q2 từ vật cần làm lạnh → Do tiếp tục bay dàn bay trở thành bão hồ khơ NH3 áp suất p2 CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Chu trình máy lạnh hấp thụ 3.2 Sơ đồ nguyên lý máy hấp thụ - Hơi bão hồ khơ NH3 vào bình hấp thụ sau khỏi buồng làm lạnh  Mặt khác, sau thực trình bay dung dịch H2O - NH3 nồng độ thấp (dung dịch nghèo NH3) từ bình bay qua van tiết lưu áp suất giảm từ p1 xuống p2 vào bình hấp thụ - Vì vậy, dung dịch nghèo NH3 hấp thụ NH3 trở thành dung dịch có nồng độ cao (dung dịch giầu NH3) bơm đưa trở lại bình sinh - Tại bình hấp thụ có q trình hấp thụ xảy ra, lượng nhiệt hấp thụ qht sinh ra, lượng nhiệt lấy nhờ nước làm mát CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Chu trình máy lạnh hấp thụ 3.2 Sơ đồ nguyên lý máy hấp thụ Về mặt cân lượng, ta có phương trình cân : lb + q1 + q2 = qk + qht Trong đó: lb: Là cơng tiêu tốn cho bơm; q1: Là nhiệt lượng cấp cho bình hơi; q2: Là nhiệt lượng mơi chất lạnh nhận từ buồng lạnh; qk: Là nhiệt lượng môi chất lạnh nhả bình ngưng; qht: Là nhiệt lượng trình hấp thụ nhả bình hấp thụ CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Chu trình máy lạnh hấp thụ 3.2 Sơ đồ nguyên lý máy hấp thụ - Hệ số nhiệt máy lạnh hấp thụ  q 1 q l Nếu cơng bơm lb nhỏ bỏ qua thì:   b q 1 q  Sự khác ML hấp thụ ML dùng máy nén khí : - Để truyền nhiệt từ nguồn T1 thấp tới T2 cao ML có máy nén cần tiêu tốn từ ngồi, cịn ML hấp thụ lượng tiêu tốn dạng nhiệt - ML dùng máy nén để nén hơi, cịn máy lạnh hấp thụ dùng nhiệt hố để tăng áp suất CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Nguyên lý làm việc bơm nhiệt 4.1 Khái niệm Bơm nhiệt thiết bị dùng để lấy nhiệt thấp (môi trường xung quanh) cấp cho hộ tiêu thụ nhiệt có nhiệt độ cao nhờ tiêu tốn cơng từ ngồi T1 4.2 Sơ đồ bơm nhiệt q1 Chu trình làm việc bơm nhiệt giống với thiết bị lạnh Bơm nhiệt lo T2 = Tmt T1 = Tmt q2 q1 lo T2 q2 Máy lạnh CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Nguyên lý làm việc bơm nhiệt 4.3 Các thông số bơm nhiệt  Hệ số bơm nhiệt  tỷ số lượng nhiệt cấp cho nguồn nóng cơng tiêu tốn chu trình q  l q  l  l  Quan hệ hệ số bơm nhiệt    Nhận thấy:  q 1   1 l + Nếu hệ số làm lạnh cao hệ số sưởi ấm cao + Bơm nhiệt sử dụng tốt trường hợp có nguồn nhiệt nhiệt độ thấp nguồn cơng rẻ + Cần ý sử dụng thiết bị lạnh đồng thời với hai mục đích làm lạnh cấp nhiệt CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH Nguyên lý làm việc bơm nhiệt 4.4 So sánh bơm nhiệt máy lạnh  Giống Đều làm việc theo chu trình ngược - thực q trình truyền nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp tới vật có nhiệt độ cao nhờ tiêu tốn cơng từ ngồi  Khác - Máy lạnh nhiệm vụ chủ yếu làm lạnh nguồn nhả nhiệt, nhiệt hữu ích q2 cịn bơm nhiệt nhiệm vụ chủ yếu cấp nhiệt cho nguồn thu nhiệt, nhiệt hữu ích q1 - Khoảng nhiệt độ thiết bị lạnh bơm nhiệt khác + Trong chu trình máy lạnh nguồn nóng mơi trường xung quanh, nguồn lạnh có nhiệt độ thấp + Đối với chu trình bơm nhiệt nguồn lạnh mơi trường xung quanh cịn nguồn nóng có nhiệt độ cao ...BÀI I GIỚI THIỆU VỀ CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG (CTNĐ) CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Định nghĩa chu trình nhiệt động - Để biến nhiệt thành công máy nhiệt phải dùng chất môi giới... thuận nghịch CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Ngun lý làm việc thiết bị nhiệt 3.1 Nguyên lý làm việc động nhiệt Động nhiệt máy nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều thực việc biến đổi nhiệt thành cơng -... CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Nguyên lý làm việc thiết bị nhiệt 3.1 Nguyên lý làm việc động nhiệt Q1 – |Q2| = Lo > ; Lo < Q1 L0 T1 Q1 Q2 T2 Hình Nguyên lý làm việc đơng nhiệt CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Ngun