Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật gồm có 2 phần, Phần 1 là phần “Nhiệt động kỹ thuật” có 3 chương, nghiên cứu về những qui luật biến đổi năng lượng có liên quan đến nhiệt năng trong các quá trình nhiệt động, nhằm tìm ra những phương pháp biến đổi có lợi nhất giữa nhiệt năng và cơ năng. Mời các bạn cùng tham khảo.
Tác giả: PGS.TS Phạm Hữu Tân Hiệu đính: PGS.TS Trần Hồng Hà NHIỆT KỸ THUẬT NHÀ XUẤT BẢN HÀNG HẢI - 2015 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC……………………………………………………………… LỜI NÓI ĐẦU…………………………………………………………………4 Phần thứ N IỆT Đ NG Chương NH NG Ỹ T UẬT……………………………… I NIỆM CƠ ẢN……………………………… 1.1 Hệ nhiệt động……………………………………………………… 1.2 Các thông số trạng thái bản…………… …………………………8 1.3 Phƣơng trình trạng thái chất khí……………… ………………13 1.4 Nhiệt lƣợng cách tính nhiệt………………………………………21 1.5 Các loại cơng…….………………………………………………… 27 Chương 2: Đ N LUẬT N IỆT Đ NG C T Ứ N ẤT V C C QU TR N CƠ ẢN CỦ M I C ẤT Ở T Ể V ƠI 31 2.1 Nội dung ý nghĩa định luật nhiệt động I………………… …31 2.2 Các dạng biểu thức định luật nhiệt động I………………………31 2.3 ng dụng định luật nhiệt động I……………………………… 32 2.4 Các trình nhiệt động khí lý tƣởng………………….……….33 2.5 Các q trình nhiệt động thực tế…………… …………………… 50 2.6 Các trình nhiệt động nƣớc………………… … 61 Chương 3: C U TR N N IỆT Đ NG………………………………… 70 3.1 Một số khái niệm…….………………………………………………70 3.2 Chu trình Carnot thuận nghịch…………… ……………………… 73 3.3 Chu trình động đốt trong…………………………………………76 3.4 Chu trình động lực nƣớc………… …………………………….83 Phần TRUYỀN N IỆT………………………………………………… 87 Chƣơng 4: DẪN N IỆT…………………………………………………….89 4.1 Những khái niệm …… ……………………………………89 4.2 Dẫn nhiệt ổn định khơng có nguồn nhiệt bên trong… …………… 95 Chương 5: TR O ĐỔI N IỆT ĐỐI LƢU……………………………… 102 5.1 Khái niệm trao đổi nhiệt đối lƣu……………… ……….102 5.2 Công thức Newton phƣơng pháp xác định hệ số tỏa nhiệt ……104 5.3 Trao đổi nhiệt đối lƣu tự nhiên…………….……………………….109 5.4 Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức…………… ……………………113 Chương 6: TR O ĐỔI N IỆT ỨC XẠ…………………………………118 6.1 Các khái niệm bản…… ……………………………………….118 6.2 Các định luật xạ………… ……………………… 121 6.3 Trao đổi nhiệt xạ vật rắn môi trƣờng suốt … 123 6.4 Bức xạ chất khí…… ………………………………………………127 Chương 7: TRUYỀN N IỆT V T IẾT TR O ĐỔI N IỆT…… 131 7.1 Khái niệm chung…….…………………………………………… 131 7.2 Truyền nhiệt ổn định qua vách phẳng……………….…………… 132 7.3 Truyền nhiệt ổn định qua vách trụ…………………………………135 7.4 Truyền nhiệt qua vách có cánh…………… ………………………137 7.5 Tăng cƣờng truyền nhiệt………….……………………………… 138 7.6 Thiết bị trao đổi nhiệt……… …………………………………….139 I TẬP…………………………………………………………………….146 P Ụ LỤC………………………………………………………………… 155 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………….166 LỜI NĨI ĐẦU Mơn học Nhiệt kỹ thuật môn học sở cho chuyên ngành kỹ thuật tất hệ trường đại học cao đẳng nước Vì nhu cầu tài liệu cho sinh viên lớn Chính nhu cầu mà tác giả cho mắt Giáo trình Nhiệt kỹ thuật, nhằm giúp cho sinh viên có đủ tài liệu để nắm vững kiến thức môn học Tài liệu biên soạn dựa sở nội dung giảng dạy cho môn học nhiệt kỹ thuật thẩm định hội đồng chuyên ngành Máy tàu biển Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Bộ Giao thông vận tải Bộ Giáo dục đào tạo phê duyệt Chính mà giáo trình Nhiệt kỹ thuật sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho chuyên ngành Khai thác máy tàu biển Trường Đại học Hàng hải Việt Nam làm tài liệu tham khảo cho chuyên ngành khác có liên quan Giáo trình Nhiệt kỹ thuật gồm có phần: Phần “Nhiệt động kỹ thuật” có chương nghiên cứu qui luật biến đ i n ng lượng có liên quan đến nhiệt n ng tr nh nhiệt động, nhằm t m phương pháp biến đ i có lợi nhiệt n ng n ng Phần “Truyền nhiệt” gồm có chương nghiên cứu quy luật phân bố nhiệt độ trao đ i nhiệt khơng gian theo thời gian vật có nhiệt độ khác Phần “Bài tập” có nhiều mức độ khác nhau, dùng cho trường trung cấp, cao đẳng, đại học dùng để kiểm tra kiến thức đầu vào cho học viên cao học Cuối sách có phần phụ lục cung cấp đủ số liệu cần thiết để giải tập Giáo trình tài liệu học tập cho sinh viên chuyên ngành khai thác máy tàu biển ngành kỹ thuật có liên quan Do thời lượng hạn chế để phù hợp với chương tr nh đào tạo chuyên ngành, nội dung sách giới thiệu hết nội dung phần Nhiệt kỹ thuật Mặc dù tác giả cố gắng kế thừa kiến thức tài liệu tham khảo, nội dung sách chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Tác giả kính mong nhận góp ý bạn đồng nghiệp bạn đọc gần xa Mọi ý kiến đóng góp xin gửi Khoa Máy tàu biển Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 484 Lạch Tray - Ngơ Quyền - Hải Phịng Hải Phịng, 2014 Tác giả Phần thứ NHIỆT Đ NG Ỹ T UẬT Nhiệt động k thuật môn h c nghiên cứu qui luật biến đổi lƣợng có liên quan đến nhiệt trình nhiệt động, nh m tìm phƣơng pháp biến đổi có lợi nhiệt Cơ sở nhiệt động đƣợc xây dựng từ kỷ XIX, xuất động nhiệt Môn nhiệt động đƣợc xây dựng sở hai định luật bản: định luật nhiệt động thứ định luật nhiệt động thứ hai ịnh luật nhiệt động thứ định luật bảo tồn chuyển hố lƣợng áp dụng lĩnh vực nhiệt, cho ph p xác định số lƣợng nhiệt công trao đổi q trình chuyển hố lƣợng ịnh luật nhiệt động thứ hai xác định điều kiện, mức độ biến đổi nhiệt thành năng, đồng thời xác định chiều hƣớng trình xẩy tự nhiên, đặc trƣng mặt chất lƣợng q trình biến đổi lƣợng Những kết đạt đƣợc lĩnh vực nhiệt động kĩ thuật cho ph p ta xây dựng sở lí thuyết cho động nhiệt tìm phƣơng pháp đạt đƣợc cơng có ích lớn thiết bị lƣợng nhiệt + ối tƣợng nghiên cứu nhiệt động h c k thuật: Nhiệt động h c k thuật môn h c khoa h c tự nhiên, nghiên cứu qui luật biến đổi lƣợng mà chủ yếu nhiệt nh m tìm biện pháp biến đổi có lợi nhiệt + Phƣơng pháp nghiên cứu: Nhiệt động h c đƣợc nghiên cứu b ng phƣơng pháp giải tích, thực nghiệm kết hợp hai - Nghiên cứu b ng phƣơng pháp giải tích: ứng dụng định luật vật lý kết hợp với biến đổi tốn h c để tìm cơng thức thể qui luật tƣợng, trình nhiệt động - Nghiên cứu b ng phƣơng pháp thực nghiệm: tiến hành thí nghiệm để xác định giá trị thơng số thực nghiệm, từ tìm qui luật công thức thực nghiệm Chương N NG I NIỆM CƠ ẢN Ệ N IỆT Đ NG 1.1 1.1.1 Động nhiệt bơm nhiệt Động nhiệt ộng nhiệt máy nhiệt hoạt động theo nguyên lý: Chất môi giới nhận nhiệt từ nguồn nóng, sau giãn nở để biến phần thành công cuối nhả phần nhiệt cịn lại cho nguồn lạnh Nguồn nóng: - Hố nhiên liệu; - Phản ứng hạt nhân; Nguồn lạnh: - Môi trƣờng xung quanh; - Chất nhận nhiệt khác ộng nhiệt thực tế bao gồm động đốt trong, động tua bin khí hơi, động phản lực nh ho c ơm nhiệt Máy lạnh hay bơm nhiệt hoạt động theo nguyên lý: Nhờ nguồn lƣợng bên (Điện n ng, n ng) chất mơi giới nhận nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp đem nhiệt lƣợng với phần nhiệt năng lƣợng cung cấp từ bên truyền cho nguồn có nhiệt độ cao 1.1.2 Chất môi giới Chất môi giới Chất môi giới chất trung gian để biến hoá nhiệt thành năng, dạng lƣợng khác thành nhiệt Thơng thƣờng, chất mơi giới thể lỏng, khí Khi thể khí hơi, chất mơi giới có khả giãn nở lớn để sinh cơng Trong máy lạnh, chất môi giới tồn dạng lỏng khí (thƣờng g i cơng chất); Trong nồi hơi, tua bin hơi, chất môi giới thƣờng nƣớc; Trong động đốt trong, chất môi giới sản phẩm cháy nhiên liệu Khí ý tưởng khí thực a Khí lý tưởng Khí lý tƣởng khí khơng có lực tƣơng tác phân tử thể tích thân phân tử b ng khơng Khơng khí, nƣớc công chất trạng thái nhiệt đƣợc coi khí lý tƣởng b Khí thực Khí thực khí tồn thực tế (có khoảng cách tích riêng phân tử) Hơi nƣớc nồi hơi, công chất trạng thái bão h a khí thực 1.1.3 ệ nhiệt động ph n oại hệ nhiệt động Nguồn nhiệt Nguồn vật có nhiệt độ cao đƣợc g i nguồn nóng; Nguồn vật có nhiệt độ thấp đƣợc g i nguồn lạnh; Nguồn nóng nguồn lạnh g i chung nguồn nhiệt Hệ nhiệt ộng Tập hợp tất đối tƣợng nghiên cứu đƣợc tách để nghiên cứu nhiệt đƣợc g i hệ thống nhiệt Tất vật chất xung quanh đƣợc g i mơi trƣờng Ví dụ: Khi nghiên cứu q trình cháy động đốt khơng gian thành vách xilanh, nắp xilanh, đ nh piston hệ thống nhiệt, xilanh piston vách, khí nƣớc xung quanh môi trƣờng Phân o i hệ nhiệt ộng a Hệ thống kín Hệ thống kín hệ thống mà chất môi giới không qua mặt gianh giới khối lƣợng chất môi giới hệ thống không thay đổi Máy lạnh, bơm nhiệt, hệ động lực nƣớc đƣợc coi hệ thống kín b Hệ thống hở Hệ thống hở hệ thống mà khối lƣợng chất môi giới thay đổi, chất môi giới ra, vào qua mặt ranh giới Ví dụ: ộng đốt trong, động phản lực hệ thống hở c Hệ thống cô lập Hệ thống lập hệ thống khơng có trao đổi lƣợng với môi trƣờng d Hệ thống đoạn nhiệt Hệ thống đoạn nhiệt hệ thống khơng có trao đổi nhiệt với mơi trƣờng Trong thực tế khơng có hệ thống cô lập đoạn nhiệt; Khi khảo sát hệ thống mà lƣợng trao đổi với môi trƣờng bé so với lƣợng khảo sát coi hệ thống lập đoạn nhiệt, ta bỏ qua sai số để dễ tính tốn 1.2 C C T NG SỐ TRẠNG T I CƠ ẢN Trạng thái biểu thị tổng hợp tất đặc trƣng vật lý chất môi giới thời điểm Những đại lƣợng có trị số hồn tồn xác định trạng thái xác định g i thông số trạng thái chất môi giới hàm đơn trị Trạng thái cân b ng trạng thái khơng tự trừ có tác động bên nhƣ gia nhiệt, nén Kết thúc tác động trở trạng thái cân b ng Trong nhiệt động k thuật ch nghiên cứu trạng thái cân b ng 1.2.1 Nhiệt độ Nhiệt độ thông số trạng thái biểu thị mức độ nóng lạnh mơi chất, thể mức độ chuyển động phân tử nguyên tử Theo thuyết động h c phân tử nhiệt độ đại lƣợng thống kê, tỷ lệ thuận với động chuyển động tịnh tiến trung bình phân tử T m 3k (1-1) Trong đó: T - Nhiệt độ tuyệt đối vật [K]; m- Khối lƣợng phân tử [kg]; -Vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến phân tử [m/giây]; k - H ng số Bôzman, k = 1,3805.10 - 23 [J/K] Nhƣ vậy, tốc độ chuyển động trung bình phân tử lớn nhiệt độ vật lớn Trong hệ thống SI thƣờng dùng hai thang đo nhiệt độ : - Thang nhiệt độ bách phân: nhiệt độ ký hiệu b ng chữ t, đơn vị đo nhiệt độ bách phân Celsius [0C] ; - Thang nhiệt độ tuyệt đối: nhiệt độ ký hiệu b ng chữ T, đơn vị đo nhiệt độ tuyệt đối Kenvin [K] - Hai thang đo nhiệt độ có mối quan hệ với b ng biểu thức: t 0C = T0K – 273,15 (1.2) Nghĩa 00C tƣơng đƣơng với 273,15K Giá trị độ chia hai thang b ng nhau; dT = dt Ngoài ra, số nƣớc nhƣ nh, M c n dùng thang nhiệt độ ahrenheit, đơn vị đo 0F thang nhiệt độ Rankin, đơn vị đo 0R iữa 0C, 0F 0R có mối quan hệ nhƣ sau : t 0C T K 273,15 5 t F 32 T R 273,15 9 (1-3) ể đo nhiệt độ, ngƣời ta dùng công cụ khác nhƣ: nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế khí, nhiệt kế điện trở, cặp nhiệt, quang kế v.v 1.2.2 Áp suất tu ệt đối Lực chất mơi giới tác dụng thẳng góc lên đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc g i áp suất tuyệt đối chất môi giới môi chất p suất tuyệt đối ký hiệu p Theo Thuyết động h c phân tử, áp suất tỷ lệ với động chuyển động tịnh tiến trung bình phân tử với số phân tử mơi chất đơn vị thể tích: p n m (1.4) Trong đó: n - Số phân tử môi chất đơn vị thể tích; - Hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào kích thƣớc thân phân tử lực tƣơng tác phân tử, áp suất nhỏ, nhiệt độ cao gần tới m- Khối lƣợng phân tử [kg]; - Vận tốc trung bình chuyển động tịnh tiến phân tử; ơn vị đo áp suất chuẩn Pascal; ký hiệu Pa; 1Pa=1N/m2; 1Kpa = 103Pa, 1Mpa=106Pa (1.5) Ngoài đơn vị tiêu chuẩn, thiết bị k thuật ngƣời ta c n dùng đơn vị đo khác nhƣ: tmốtphe k thuật kG/cm2, (1at=1kG/cm2), bar, milimét cột nƣớc mmH2O), milimét cột thủy ngân mmHg , quan hệ ch ng nhƣ sau: 1Pa=1N/m2=10-5bar= 1 10-5 at = mmH20 = mmHg (1.6) 133,32 0,981 0,981 p suất khơng khí ngồi trời mặt đất g i áp suất khí quyển, ký hiệu pk, đo b ng barơmét Một chất khí chứa bình có áp suất tuyệt đối p Nếu áp suất p lớn áp suất khí pk hiệu ch ng đƣợc g i áp suất dƣ, ký hiệu pd, pd = p - pk, đƣợc đo b ng manômét Nếu áp suất tuyệt đối nhỏ áp suất khí pk hiệu ch ng g i độ chân không, ký hiệu pck, pck = p - pk, đƣợc đo b ng chân không kế Quan hệ loại áp suất đƣợc thể (hình 1.2) pd p xuất dƣ Manomet pck Chân không kế nh ác đơn vị đo áp suất 10 pk Barơmét 0 Hình 3.2 Đồ thị p – v chu tr nh arnot thuận chiều Hình 3.3 Đồ thị p- v chu trình arnot ngược chiều * Hiệu chu trình: ể đánh giá hiệu biến đổi nhiệt thành công chu trình thuận chiều, ngƣời ta dùng hệ số ct , g i hiệu suất nhiệt chu trình Hiệu suất nhiệt chu trình b ng tỷ số cơng chu trình sinh với nhiệt lƣợng mà mơi chất nhận đƣợc từ nguồn nóng ct q q2 l q1 q1 (3.1) Trong đó: q1 - nhiệt lƣợng mà mơi chất nhận đƣợc từ nguồn nóng; q2 - nhiệt lƣợng mà mơi chất nhả cho nguồn lạnh; l - công nhận đƣợc chu trình, l = |q1 |- q2, ∆u = Chu trình ngư c chiều * ịnh nghĩa: Chu trình ngƣợc chiều chu trình mà mơi chất nhận cơng từ bên ngồi để lấy nhiệt từ nguồn lạnh sau mơi chất lại nhả nhiệt cho nguồn nóng, cơng tiêu tốn đƣợc qui ƣớc công âm, l < * thị: Trên đồ thị hình 3.3, chu trình ngƣợc chiều có chiều theo chiều ngƣợc kim đồng hồ * Hệ số làm lạnh: 72 ể đánh giá hiệu biến đổi lƣợng chu trình ngƣợc chiều, ngƣời ta dùng hệ số ct , g i hệ số làm lạnh chu trình Hệ số làm lạnh chu trình tỷ số nhiệt lƣợng mà mơi chất nhận đƣợc từ nguồn lạnh với công tiêu tốn cho chu trình ct q2 q2 l q1 q2 (3.2) Trong đó: q1 - nhiệt lƣợng mà mơi chất nhả cho nguồn nóng [kJ/kg]; q2 - nhiệt lƣợng mà môi chất nhận đƣợc từ nguồn lạnh [kJ/kg]; l - cơng chu trình tiêu tốn [kJ/kg], l = |q1|- q2, ∆u = 3.2 C U TR N C RNOT T UẬN NG C Chu trình Carnot thuận nghịch chu trình lý tƣởng, có khả biển đổi nhiệt lƣợng với hiệu cao Tuy nhiên, áp dụng vào thực tế khó thực đƣợc hai trình nhận nhiệt nhả nhiệt đẳng nhiệt, có nhƣợc điểm khác giá thành hiệu suất thiết bị Chính khơng đƣợc áp dụng thực tế mà ch làm mục tiêu để hồn thiện chu trình khác mặt hiệu nhiệt, nghĩa ngƣời ta phấn đấu thực chu trình gần với chu trình Carnot hiệu chuyển hố nhiệt cao Chu trình Carnot thuận nghịch làm việc với hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác T1 T2 , nhiệt độ nguồn nhiệt không thay đổi suốt q trình trao đổi nhiệt Mơi chất thực trình thuận nghịch liên tiếp nhau: hai trình đẳng nhiệt hai trình đoạn nhiệt tiến hành xen kẽ Sau ta x t hai chu trình Carnot thuận nghịch g i tắt chu trình Carnot thuận chiều chu trình Carnot ngƣợc chiều 3.2.1 Chu trình Carnot thuận ngh ch thuận chiều thị p-v T-s chu trình Carnot thuận chiều đƣợc biểu diễn hình 3.4 ab trình n n đoạn nhiệt, nhiệt độ mơi chất tăng từ T2 đến T1 ; bc trình nhận nhiệt đẳng nhiệt, môi chất tiếp x c với nguồn nóng có nhiệt độ T1 khơng đổi nhận từ nguồn nóng nhiệt lƣợng q1 = T1(sc - sb ); cd trình giãn nở đoạn nhiệt, sinh công l, nhiệt độ môi chất giảm từ T1 đến T2 ; da trình nhả nhiệt đẳng nhiệt, mơi chất tiếp x c với nguồn lạnh có nhiệt độ T2 không đổi nhả cho nguồn lạnh nhiệt lƣợng q2 = T2 (sa - sd ) 73 0 Hình 3.4 Đồ thị p-v T-s chu tr nh arnot thuận chiều Hiệu suất nhiệt chu trình Carnot thuận chiều đƣợc tính theo công thức (3.1) Khi thay giá trị q1 |q2| vào ta có hiệu suất nhiệt chu trình Carnot thuận nghịch thuận chiều là: ct Vì: q q2 T1 ( sc s d ) T2 ( sb s a ) T l 1 q1 q1 T1 ( sc s d ) T1 (3.3) (sc - sd) = (sb - sa) * Nhận x t: Từ biểu thức 3.3 ta thấy: - Hiệu suất nhiệt chu trình Carnot thuận chiều ch phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng T1 nhiệt độ nguồn lạnh T2 mà không phụ thuộc vào chất môi chất - Hiệu suất nhiệt chu trình Carnot lớn nhiệt độ nguồn nóng cao nhiệt độ nguồn lạnh thấp - Hiệu suất nhiệt chu trình Carnot ln nhỏ nhiệt độ nguồn nóng đạt vô nhiệt độ nguồn lạnh đạt đến không - Hiệu suất nhiệt chu trình Carnot thuận nghịch lớn hiệu suất nhiệt chu trình khác có nhiệt độ nguồn nóng nhiệt độ nguồn lạnh 3.2.2 Chu trình carnot thuận ngh ch ngƣợc chiều thị p-v T-s chu trình Carnot ngƣợc chiều đƣợc biểu diễn hình 3.5 ab trình nhận nhiệt đẳng nhiệt, mơi chất tiếp x c với nguồn lạnh có nhiệt độ T2 không đổi nhận từ nguồn lạnh nhiệt lƣợng q2 = 74 T2 (sb - sa ); (bc) trình n n đoạn nhiệt, tiêu tốn công nén l, nhiệt độ môi chất tăng từ T2 đến T1; (cd) trình nhả nhiệt đẳng nhiệt, mơi chất tiếp x c với nguồn nóng có nhiệt độ T1 khơng đổi nhả cho nguồn nóng nhiệt lƣợng q1 = T1(sd - sc ); (da) trình giãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ môi chất giảm từ T1 đến T2 T p q1 a a b T1 b T1=const d c q2 Δs T2=const v T2 c d s Hình 3.5 Đồ thị p-v T-s chu tr nh arnot ngược chiều Hệ số làm lạnh chu trình Carnot ngƣợc chiều đƣợc tính theo cơng thức (3.4) Khi thay giá trị |q1| q2 vào ta có hệ số làm lạnh chu trình Carnot thuận nghịch ngƣợc chiều là: ct T2 ( sb sa ) q2 q2 l q1 q2 T1 ( sd sc ) T2 ( sb sa ) ct T2 T1 T2 (3.4 ) * Nhận x t: Từ biểu thức 4-7 ta thấy: - Hệ số làm lạnh chu trình Carnot ngƣợc chiều ch phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng T1 nhiệt độ nguồn lạnh T2 mà không phụ thuộc vào chất môi chất - Hệ số làm lạnh chu trình Carnot lớn nhiệt độ nguồn nóng thấp nhiệt độ nguồn lạnh cao - Hệ số làm lạnh chu trình Carnot lớn 75 3.3 C U TR N Đ NG CƠ ĐỐT TRONG ộng đốt động nhiệt mà trình cháy đƣợc tiến hành bên xilanh sản phẩm cháy đƣợc thải mơi trƣờng ây chu trình biến đổi nhiệt thành công Hiện động đốt đƣợc sử dụng nhiều sản xuất sinh hoạt nhƣ dùng làm động cho ôtô, máy k o, xe lửa, máy phát điện, động lai chân vịt tàu thủy Môi chất làm việc động đốt l c đầu khơng khí nhiên liệu, sau sản phẩm cháy hỗn hợp khơng khí nhiên liệu Có nhiều cách phân loại động đốt trong, phân loại theo nhiên liệu sử dụng, theo hành trình piston, theo trình cấp nhiệt đây, theo quan điểm nhiệt động, dựa vào chu trình cấp nhiệt ta phân động đốt thành loại: chu trình cấp nhiệt đẳng áp, chu trình cấp nhiệt đẳng tích, chu trình cấp nhiệt hỗn hợp ể nghiên cứu trình động đốt trong, ta giả thiết: - Môi chất khí lý tƣởng đồng nhất; - Các trình xảy thuận nghịch; - Quá trình cháy trình cấp nhiệt, trình thải sản phẩm cháy q trình nhả nhiệt đẳng tích; - Cơng q trình nạp mơi chất q trình thải sản phẩm cháy triệt tiêu lẫn biến hệ thành hệ kín 3.3.1 Chu trình động đốt cấp nhiệt hỗn hợp tả chu tr nh Trong chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, nhiên liệu đƣợc bơm cao áp n n đến áp suất cao, phun vào xilanh dƣới dạng sƣơng Trong xilanh khơng khí đƣợc n n đến áp suất nhiệt độ cao, nhiên liệu đƣợc phun vào xilanh h a trộn với khơng khí nhiệt độ cao, nhiên liệu tự bốc cháy Quá trình cháy gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu cháy đẳng tích, giai đoạn sau cháy đẳng áp Chu trình cháy lý tƣởng động đốt cấp nhiệt hỗn hợp đƣợc trình bày hình 3.6, chu trình gồm: (1-2) - trình n n đoan nhiệt; (2-3) - q trình cấp nhiệt đẳng tích, mơi chất nhận nhiệt lƣợng q1v; (3-4) - trình cấp nhiệt đẳng áp, môi chất nhận nhiệt lƣợng q1p; 76 (4-5) - trình giãn nở đoạn nhiệt; (5-1) - trình nhả nhiệt đẳng tích, nhả nhiệt lƣợng q2 p T q1p q1p q1v q1v 5 q2 q2 1 v 0 s Hình 3.6 Chu tr nh cấp nhiệt hỗn hợp Hiệu suất nhiệt chu tr nh cấp nhiệt h n h p * Các đại lƣợng đặc trƣng cho chu trình: - Thông số trạng thái đầu: p1 , T1; - Tỷ số n n: v1 v2 (3.5) - Tỷ số tăng áp: p3 p2 (3.6) - Hệ số giãn nở sớm: v4 v3 (3.7) * Hiệu suất chu trình: ct q1 q q1 (3.8) Trong đó: q1 - nhiệt lƣợng chu trình nhận đƣợc từ trình cháy nhiên liệu, bao gồm nhiệt lƣợng trình sau: q1v - nhiệt lƣợng nhận đƣợc từ q trình cháy đẳng tích 2-3, [kJ/kg]; q1p - nhiệt lƣợng nhận đƣợc từ trình cháy đẳng áp 3-4, [kJ/kg]; ậy: q1 = q1v+ q1p; 77 q2 - nhiệt lƣợng nhả cho nguồn lạnh q trình nhả nhiệt đẳng tích 5-1 [kJ/kg], Từ ta có hiệu suất chủa chu trình là: ct q2 q1v q1 p (3.9) Vì 2-3 q trình cấp nhiệt đẳng tích, nên q1v = Cv(T3 - T2) [kJ/kg]; ì 2’-3 trình cấp nhiệt đẳng áp, q1p = Cp(T4 - T3) [kJ/kg]; Vì 4-1 q trình nhả nhiệt đẳng tích, nên q2 = Cv(T5 - T1) [kJ/kg]; Thay giá trị q1v, q1p q2 vào 3.9 ta đƣợc: ct Cv (T5 T1 ) Cv (T3 T2 ) C p (T4 T3 ) ct (T5 T1 ) (T3 T2 ) k (T4 T3 ) (3.10) ựa vào đặc điểm trình chu trình, ta tiếp tục biến đổi để tính hiệu suất chu trình theo nhiệt độ đầu T1 đại lƣợng đặc trƣng cho chu trình nhƣ sau: Vì 1-2 trình n n đoan nhiệt nên ta có: T2 v1 T1 v ( k 1) ( k 1) , suy T2 T1 ( k 1) ; 2-3 q trình cấp nhiệt đẳng tích nên: T3 p3 , suy T3 T2 T1 ( k 1) ; T2 p2 3-4 trình cấp nhiệt đẳng áp nên: T4 v4 , suy T4 T3 T1 ( k 1) ; T3 v3 4-5 trình giãn nở đoạn nhiệt nên: T5 v4 T4 v5 78 ( k 1) v v1 ( k 1) v v v3 v1 ( k 1) ( k 1) , suy ra: T5 T4 ( k 1) T1. ( k 1) ( k 1) T1 k Thay giá trị T2 , T3, T4 T5 vào (3.10) ta có: T1 k T1 ct (T1 k 1 T1 k 1 ) k (T1 k 1 T1 k 1 ) R t g n lại ta có hiệu suất chu trình: ct k k 1 ( 1) k ( 1) (3.11) 3.3.2 Chu trình động đốt cấp nhiệt đẳng tích chu trình cấp nhiệt đẳng tích, nhiên liệu xăng khơng khí đƣợc hỗn hợp trƣớc ngồi xilanh Sau hỗn nhiên liệu khơng khí đƣợc nạp vào xilanh n n đoạn nhiệt đến áp suất nhiệt độ cao đƣợc biểu diễn b ng đoạn 1- nhƣng thấp nhiệt độ tự bốc cháy xăng nên khơng tự bốc cháy đƣợc Quá trình cháy xảy nhờ bugi bật tia lửa điện, trình cháy đƣợc biểu diễn b ng đoạn 2-3 xảy nhanh làm cho áp suất xilanh tăng v t lên, piston xilanh chƣa kịp dịch chuyển, thể tích hỗn hợp khí xilanh khơng đổi, q trình coi q trình cháy đẳng tích Sau sản phẩm cháy giãn nở, đẩy piston dịch chuyển sinh công Quá trình giãn nở đƣợc coi đoạn nhiệt, đƣợc biểu diễn b ng đoạn 3-4 Cuối q trình thải sản phẩm cháy ngồi đƣợc biểu diễn b ng đoạn 4-1), trình đẳng tích Các q trình lặp lại nhƣ cũ, thực chu trình ây chu trình động ôtô chạy xăng hay c n g i động cháy cƣỡng nhờ bugi đánh lửa thị thay đổi trạng thái môi chất đƣợc biểu diễn hình 3.7 Từ cơng thức 3.11 ta thấy: Nếu chu trình cấp nhiệt hỗn hợp có , tức v3 = v2 = v4 , nhƣ trình cấp nhiệt ch c n giai đoạn cháy đẳng tích 2-3, chu trình cấp nhiệt hỗn hợp trở thành chu trình cấp nhiệt đẳng tích 79 p T 3 q1 co q2 q2 ns t v= v= co ns t q1 v s nh 3.7 hu tr nh động đốt cấp nhiệt đẳng tích Khi thay vào cơng thức 3.11 ta đƣợc hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng tích: ct 1 k 1 ( 1) k 1 (3.12) Nhƣ hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng tích ch phụ thuộc vào t số n n 3.3.3 Chu trình động đốt cấp nhiệt đẳng p Nếu chu trình cấp nhiệt hỗn hợp có , tức p3 = p2 = p4 , nghĩa trình cấp nhiệt ch c n giai đoạn cháy đẳng áp 3-4, chu trình cấp nhiệt hỗn hợp trở thành chu trình cấp nhiệt đẳng áp chu trình này, khơng khí đƣợc n n đoạn nhiệt đến áp suất nhiệt độ cao, đến cuối trình nén nhiên liệu đƣợc phun vào xilanh dƣới dạng sƣơng, h a trộn với khơng khí tạo nên hỗn hợp cháy nhiệt độ hỗn hợp cao nhiệt độ tự cháy nhiên liệu nên tự bốc cháy Khi thay vào công thức 3.11 ta đƣợc hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng áp: ct k 1 k 1k ( 1) (3.13) Nhƣ hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng tích ch phụ thuộc vào t số n n hệ số giãn nở sớm Q trình thay đổi trạng thái mơi chất chu trình đƣợc biểu diễn đồ thị p-v T-s hình 3.8 80 p T q1 3 q1 p= q2 v= nst co q2 co ns t v s nh 3.8 hu tr nh động đốt cấp nhiệt đẳng áp Nhận xét: - Hiệu suất nhiệt chu trình động cấp nhiệt hỗn hợp phụ thuộc vào k; - ộng cấp nhiệt đẳng áp cấp nhiệt hỗn hợp làm việc với tỷ số n n cao Tuy nhiên chiều dài xilanh phải tăng lên gặp khó khăn vấn đề chế tạo, đồng thời tổn thất ma sát động tăng làm giảm hiệu suất - Trong động cấp nhiệt đẳng tích q trình cháy cƣỡng nhờ bugi , tăng cao trị số giới hạn hỗn hợp cháy tự bốc cháy bugi chƣa đánh lửa, ảnh hƣởng xấu đến chế độ làm việc bình thƣờng động Ngồi tỷ số n n lớn tốc độ cháy tăng lên cách đột ngột gây tƣợng kích nổ hỗn hợp n n hỗn hợp cháy phá hỏng chi tiết động ì t số n n cần đƣợc lựa ch n phù hợp với loại nhiên liệu 3.3.4 So s nh hiệu suất nhiệt c c chu trình ể đánh giá hiệu suất nhiệt động đốt làm việc theo chu trình khác nhau, ta so sánh chu trình với điều kiện sau: Khi có tỉ số nén nhiệt ng q1 cấp vào cho chu tr nh Trên đồ thị T-s hình 3.9 biểu diễn chu trình: 123v4v1 chu trình cấp nhiệt đẳng tích, ’34 chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 123p4p1 chu trình cấp nhiệt đẳng áp chu trình có tỷ số n n nhiệt lƣợng q1, nghĩa v1, v2 diện tích a23vd, a ’3c a23pb b ng Từ 3.8 ta thấy: Các chu trình có nhiệt lƣợng cấp vào q1, chu trình có q2 nhỏ có hiệu suất nhiệt cao q2 chu trình cấp nhiệt đẳng tích b ng diện tích a14v b nhỏ nhất; 81 q2 chu trình cấp nhiệt đẳng áp b ng diện tích a14pd lớn nhất; q2 chu trình cấp nhiệt hỗn hợp b ng diện tích a14c có giá trị trung gian so với hai chu trình ậy hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng tích lớn hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng áp nhỏ nhất: ctv ct ctp T (3.14) 2' T 3p 2p 2v 4p 4v v = 2' p t s on =c co v= ns st t 1 a b c d s Hình 3.9 So sánh chu trình a b s Hình 3.10 So sánh chu trình Khi có p suất, nhiệt ộ ớn nhỏ ta so sánh hiệu suất nhiệt chu trình nhiệt lƣợng nhả q2, làm việc với điều kiện tải nhiệt (cùng Tmax pmax ) ới điều kiện đó, chu trình đƣợc biểu diễn đồ thị T-s hình 3.10 12p34 chu trình cấp nhiệt đẳng áp, ’34 chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 12v34 chu trình cấp nhiệt đẳng tích Trên đồ thị, chu trình có p1, T1 p3, T3 nghĩa nhả lƣợng nhiệt q2 diện tích 14ab) đó: Nhiệt lƣợng q1 cấp vào cho chu trình cấp nhiệt đẳng áp b ng diện tích a2p3b lớn nhất, nhiệt lƣợng q1 cấp vào cho chu trình cấp nhiệt đẳng tích b ng diện tích a2v3b nhỏ ậy theo 3.10 ta thấy hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng áp lớn hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng tích nhỏ nhất: ctv ct ctp (3.15) iới hạn p3, T3 phụ thuộc vào sức bền chi tiết động 82 3.4 C U TR N Đ NG LỰC ƠI NƢỚC 3.4.1 Chu trình Carnot nƣớc Trong mục 3.2 giới thiệu chu trình Carnot thuận chiều chu trình có hiệu suất nhiệt cao ề mặt kĩ thuật, dùng khí thực phạm vi bão h a thực đƣợc chu trình Carnot đạt đƣợc hiệu suất nhiệt lớn phạm vi nhiệt độ Chu trình Carnot áp dụng cho khí thực vùng bão h a đƣợc biểu diễn hình 3.11 Tuy nhiên, khí thực nƣớc việc thực chu trình Carnot khó khăn, lý sau đây: - Q trình nhả nhiệt đẳng áp, ngƣng tụ thành nƣớc q trình 2-3 thực khơng hồn tồn Muốn n n đoạn nhiệt ẩm theo trình 3-4, cần phải có máy n n kích thƣớc lớn tiêu hao công lớn - Nhiệt độ tới hạn nƣớc thấp (374,150C nên độ chênh nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh chu trình khơng lớn lắm, cơng chu trình nhỏ T p1 nh p2 s chu tr nh arnot nước - Các gi t ẩm va đập vào cánh tuốc bin gây tổn thất lƣợng, ăn m n mài m n nhanh cánh tuốc bin 3.4.4 Chu trình Renkin (chu trình hệ động ực nƣớc) Nhƣ phân tích trên, có hiệu suất nhiệt cao nhƣng chu trình Carnot có số nhƣợc điểm áp dụng cho khí thực, nên thực tế ngƣời ta khơng áp dụng chu trình mà áp dụng chu trình cải tiến gần với chu trình g i chu trình Renkin Chu trình Renkin chu trình thuận chiều, biến nhiệt thành cơng Chu trình Renkin chu trình nhiệt đƣợc áp dụng chu trình thiết bị động lực nƣớc tàu thủy với môi chất nƣớc Sơ đồ thiết bị chu trình Renkin đƣợc trình bày hình 3.12 thị T-s chu trình đƣợc biểu diễn hình 3.13 83 T II III VI I p1 p2 3 V IV 2' 2' Hình 3.12 Chu trình Renkin s nh 3 Đồ thị T-s chu tr nh Renkin Nƣớc ngƣng bình ngƣng I trạng thái 2’ đồ thị có thông số p2, t2, i2, đƣợc bơm bơm vào thiết bị sinh I với áp suất p1 trình 2’-3) Trong thiết bị sinh hơi, nƣớc ống sinh nhận nhiệt đẳng áp đến sơi (q trình 3-4), hố q trình 4-5 thành q nhiệt nhiệt II trình 5-1) Quá trình 3-4-5-1 q trình hóa đẳng áp áp suất p1 = const Hơi khỏi nhiệt II trạng thái có thơng số p1, t1 vào tua bin III, giãn nở đoạn nhiệt đến trạng thái trình 1-2) sinh công tua bin Hơi khỏi tua bin có thơng số p2, t2, vào bình ngƣng I , ngƣng tụ thành nƣớc trình 2-2’ , lại đƣợc bơm bơm trở nồi Quá trình bơm xem q trình n n đẳng tích nƣớc khơng chịu n n thể tích thay đổi Hiệu suất nhiệt chu trình ηct đƣợc xác định theo cơng thức: ct q1 q2 l q1 q1 (3.16) Nhiệt lƣợng nhận đƣợc trong l theo trình đẳng áp 3-1 là: q1 = i1 – i3 Nhiệt lƣợng môi chất nhả cho nƣớc làm mát bình ngƣng trình đẳng áp 2-2’ là: q2= i2– i ’ Thông thƣờng, áp suất không cao lắm, công tiêu tốn cho bơm nƣớc cấp b so với cơng tua bin sinh nên ta bỏ qua công bơm, nghĩa coi i ’ ≈ i3 Khi cơng chu trình b ng: l q1 q2 i1 i3 i2 i2' i1 i2 84 (3.17) Hiệu suất nhiệt chu trình b ng: ct l i1 i2 q1 i1 i3 (3.18) 3.4.5 Chu trình động lực nƣớc có q nhiệt trung gian Muốn tăng hiệu suất nhiệt chu trình ct tăng áp suất đầu p1, nhiệt độ đầu t1, giảm áp suất cuối p2 nhiệt độ cuối t2 Nhƣng biện pháp làm cho độ khô cuối x2 giảm, độ ẩm cuối y2 tăng ể đảm bảo độ ẩm cuối không giảm, ngƣời ta gia nhiệt cho phần trung gian tua bin Sơ đồ chu trình thiết bị động lực nƣớc có nhiệt trung gian đƣợc thể hình 3.13 thị T-s chu trình đƣợc biểu diễn hình 3.14 nh 3 hu tr nh động lực nước có nhiệt trung gian Nồi hơi; Bộ sấy hơi; Bộ gia nhiệt kiểu khí lò; Tua bin cấp ; Tua bin cấp B nh ngưng; Bơm cấp nước nồi T K p1 a b p2 x=0 ’ 2 x=1 S Hình Đồ thị T-s chu trình 85 Nƣớc ngƣng bình ngƣng trạng thái đồ thị có thơng số p3, t3, i3, đƣợc bơm bơm vào thiết bị sinh với áp suất p1 (quá trình 3-4) Trong thiết bị sinh hơi, nƣớc ống sinh nhận nhiệt đẳng áp đến sơi (q trình 4-5 , hố q trình 5-6 thành nhiệt nhiệt trình 6-1) Quá trình 4-5-6-1 trình hóa đẳng áp áp suất p1 = const Hơi khỏi nhiệt trạng thái có thơng số p1, t1 vào tua bin 4, giãn nở đoạn nhiệt đến trạng thái b (q trình 1-b) sinh cơng tua bin Hơi khỏi tua bin có thơng số pb, tb, vào nhiệt trung gian để nhiệt cho lần hai trình b-a Hơi khỏi nhiệt trung gian trạng thái a có thơng số pa, ta vào tua bin 5, giãn nở đoạn nhiệt đến trạng thái q trình a-2) sinh cơng tua bin Hơi khỏi tua bin có thơng số p2, t2 vào bình ngƣng 6, ngƣng tụ thành nƣớc (quá trình 2-3 , lại đƣợc bơm bơm trở nồi Quá trình bơm xem q trình n n đẳng tích nƣớc khơng chịu n n thể tích thay đổi Hiệu suất nhiệt chu trình ηct đƣợc xác định theo công thức: t i1 ib ia i2 i1 i4 ia ib (3.19a) Trong đó: i1 - ib = h1 nhiệt giáng lý thuyết phần tua bin 4; ia - i2 = h2 nhiệt giáng lý thuyết phần tua bin 5; i1 - i4 = q1 nhiệt lƣợng cấp vào để đun nƣớc sôi, hoá sấy hơi; ia - ib nhiệt lƣợng cấp cho nhiệt trung gian Nếu bỏ qua cơng bơm ta có hiệu suất nhiệt chu trình là: t 86 h1 h2 i1 i4 ia ib (3.19b) ... ? ?1 (2.51a) (2.51b) 43 l R T1 T2 k ? ?1 (2.51c) l RT1 T2 ? ?1 k T1 (2.51d) RT1 v1 ? ?1 l k v k ? ?1 k ? ?1 RT1 p k l 1? ?? k p1... thức 2.44 phƣơng trình trình đoạn nhiệt, k ch số đoạn nhiệt Biểu di n tr nh đồ thị: p T p1 T1 lkt12 p2 T2 l12 v1 v2 v s1=s2 s nh Đồ thị p-v T-s tr nh đoạn nhiệt Quá trình đoạn nhiệt đƣợc biểu... tự nhƣ trình đoạn nhiệt: l pdv hay l l p1v1 p2 v2 n ? ?1 RT T R T1 T2 hay l ? ?1 n T1 n ? ?1 RT1 v1 ? ?1 l n v n ? ?1 n ? ?1 RT1 p