Chơng chu trình nhiệt động 7.1 chu trình động đốt 7.4.1 Chu trình Carno nớc 7.1.1 Khái niệm Động đốt động nhiệt mà trình cháy đợc tiến hành bên xi lanh sản phẩm cháy đợc thải môi trờng Đây chu trình biến đổi nhiệt thành công Hiện động đốt đwocj sử dụng nhiều sản xuất sinh hoạt nh dùng làm động cho ôtô, máy kéo, xe lửa, máy phát điện Môi chất làm việc động đốt lúc đầu không khí nhiên liệu, sau sản phẩm cháy hỗn hợp không 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 Để nghiên cứu trình động đốt trong, ta giả thiết: - Môi chất khí lý tởng đồng nhất, - Các trình xẩy thuận nghịch, - Quá trình cháy trình cấp nhiệt, trình thải sản phẩm cháy trình nhả nhịêt - Công trình nạp môi chất trình thải sản phẩm cháy triệt tiêu lẫn biến hệ thành hệ kín 7.1.2 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 7.1.2.1 Mô tả chu trình Trong chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, nhiên liẹu đợc bơm cao áp nén đến áp suất cao, phun vào xi lanh dạng sơng mù Trong xi lanh không khí đà đợc nén đến áp suất nhiệt độ cao, vào xi lanh gặp không khí 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 tởng động đốt cấp nhiệt hỗn hợp đợc trình bày hình 7.1 Chu trình gồm: 1-2 trình nén đoan nhiệt, 2-2 trình cấp nhiệt đẳng tích, môi chất nhận nhiệt lợng q1, 2-3 trình cấp nhiệt đẳng áp, môi chất nhận nhiệt lợng q1 3-4 trình dÃn nở đoạn nhiệt, 4-1 trình nhả nhiệt đẳng tích, nhả nhiệt lợng q2, 72 7.1.2.2 Hiệu suất chu trình cấp nhiệt hỗn hợp Hình 7.1 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp * Các đại lợng đặc trng cho chu trình: - Thông số trạng thái đầu: p1, T1, - Tỷ số nén: v = v2 - Tỉ số tăng áp: p = p2 - HƯ sè d·n në sím: ρ= v3 v' (7-1) (7-2) (7-3) * HiƯu st cđa chu tr×nh: q − q2 (7-4) η ct = q1 Trong đó: q1 nhiệt lợng chu trình nhận đợc từ trình cháy nhiên liệu, gồm q1 nhiệt lợng nhận đợc từ trình cháy đẳng tích 2-2, q1 nhiệt lợng nhận đợc từ trình cháy đẳng áp 2-3, vậy: q1 = q1+ q1, q2 nhiệt lợng cho nguồn lạnh trình nhả nhiệt ®¼ng tÝch 4-1, Tõ ®ã ta cã hiƯu st chđa chu trình là: q (7-5) ct = ' '" q1 + q1 2-2 trình cấp nhiệt đẳng tích, nên q1 = Cv(T2 - T2), 2-3 trình cấp nhiệt đẳng áp, q1 = Cp(T3 - T2), 4-1 trình nhả nhiệt đẳng tích, nên q2 = Cv(T4 - T1), Thay giá trị q1, q1 q2 vào (7-5) ta đợc: 73 ct = C v (T4 − T1 ) C v (T2 − T2 ) + C p (T3 − T2 ' η ct = − (T (T4 − T1 ) ' ) (7-6a) (7-6b) − T2 ) + k (T3 − T2 ) Dựa vào đặc điểm trình chu trình, ta tiếp tục biến đổi để tính hiệu suất chu trình theonhiệt độ đầu T1 đại lợng đặc trng cho chu trình nh sau: - Vì 1-2 trình nén đoan nhiệt nªn ta cã ' ' k −1 T2 ⎛ v ⎞ = ⎜ ⎟ = ε k −1 , suy ra: T1 ⎜ v ⎟ ⎝ ⎠ 2-2’ trình cấp nhiệt đẳng tích nên: T2' p 2' = = λ , suy ra: T2 p T2 = T1 ε k −1 , T2' = λT2 = T1 k , 2-3 trình cấp nhiệt đẳng áp nên: T3 v = = , suy ra: T2 ' v ' T3 = T2' = T1 k , 3-4 trình dÃn nở đoạn nhiệt nên: k k k −1 k −1 ⎛ v3 v2 ⎞ ⎛ v3 ⎞ T4 ⎛ v ⎞ ⎟ = ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ = ⎛ ρ ⎞ , suy ra: ⎜ = ⎜ ⎟ ⎜v v ⎟ ⎜v ⎟ T3 ⎜ v ⎟ ⎝ε⎠ ⎝ 1⎠ ⎝ 1⎠ ⎠ ⎝ k −1 k −1 ⎛ρ⎞ ⎛ρ⎞ T4 = T3 ⎜ ⎟ = T1ρλε k −1 ⎜ ⎟ = T1 k Thay giá trị T2, T2 , T3 vµ T4 vµo (7-6) ta cã: T1 λρ k − T1 η ct = − (T1λε k −1 − T1ε k −1 ) + k (T1ρλε k −1 − T1λε k −1 ) Rót gän l¹i ta cã hiƯu st chu tr×nh: λρ k − η ct = − k −1 ε [(λ − 1) + k( 1)] (7-7) 7.1.3 Các chu trình khác Ngoài chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, có chu trình cấp nhiệt đẳng áp, chu trình cấp nhiệt đẳng tích 7.1.3.1 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích chu trình cấp nhiệt đẳng tích, nhiên liệu (xăng) không khí đợc hỗn hợp trớc xi lanh Sau hỗn nhiên liệu không khí đợc nạp vào xi lanh nén đoạn nhiệt đến áp suất nhiệt độ cao (đợc biểu diễn đoạn 12) nhng thấp nhiệt độ tự bốc cháy nên không tự bốc cháy 74 đợc Quá trình cháy xẩy nhờ bugi bật tia lửa điện, trình cháy (đợc biểu diễn đoạn 2-3) xẩy nhanh làm cho áp suất xi lanh tăng vọt lên xi lanh cha kịp dịch chuyển, thể tích hỗn hợp khí xi lanh không đổi, trình coi trình cháy đẳng tích Sau sản phẩm cháy dÃn nở , đẩy piston dịch chuyển sinh công Quá trình dÃn nở đợc coi đoạn nhiệt, (đợc biểu diễn đoạn 3-4) Cuối trình thải sản phẩm cháy (đợc biểu diễn đoạn 4-1), trình đẳng tích Các trình lặp lại nh cũ, thực chu trình Hình 7.2 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích Đây chu trình động ôtô chạy xăng hay gọi động cháy cỡng nhờ bugi đánh lửa Đồ thị thay đổi trạng thái môi chất đợc biểu diễn hình 7.2 Từ công thức tính hiệu suất chu trình cấp nhiệt hỗn hợp (7-7), ta thấy: Nếu chu trình cấp nhiệt hỗn hợp cã ρ = 1, tøc lµ v2’ = v2 = v3, nh trình cấp nhiệt giai đoạn cháy đẳng tích 2-3, chu trình cấp nhiệt hỗn hợp trở thành chu trình cấp nhiệt đẳng tích Khi thay = vào công thức (7-7) ta đợc hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng tÝch: λ −1 = − k −1 η ct = − k −1 (7-8) ε (λ − 1) ε Nh− vËy hiƯu st nhiƯt chu tr×nh cÊp nhiệt đẳng tích phụ thuộc vào tỉ số nén 7.1.3.2 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp Nếu chu trình cấp nhiệt hỗn hợp có = 1, tức p2 = p2 = p3, nghĩa trình cấp nhiệt giai đoạn cháy đẳng áp 2-3, chu trình cấp nhiệt hỗn hợp trở thành chu trình cấp nhiệt đẳng áp chu trình này, không khí đợc nén đoạn nhiệt đến áp suất nhiệt độ cao, đến cuối trình nén nhiên liệu đợc phun vào xi lanh dới dạng sơng mù, pha trộn với không khí tạo nên hỗn hợp cháy tự bốc cháy Khi thay = vào công thức (7-7) ta đợc hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng áp: 75 k (7-9) k −1 k (ρ − 1) Nh− vËy hiÖu suÊt nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng tích phụ thuộc vµo tØ sè nÐn ε vµ tØ sè d·n në sớm Quá trình thay đổi trạng thái môi chất chu trình đợc biểu diễn đồ thị p-v T-s hình 7.3 Hiện ngời ta không chế tạo động theo nguyên lý ct = − H×nh 7.3 Chu tr×nh cÊp nhiƯt đẳng áp 7.1.3 Nhận xét - Hiệu suất nhiệt chu trình động cấp nhiệt hỗn hợp phụ thuộc vào k, - Động cấp nhiệt đẳng áp cấp nhiệt hỗn hợp làm việc với tỷ số nén cao Tuy nhiên chiều dài xi lanh 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 trìnhcháy cỡng (nhờ bugi), tăng cao trị số giới hạn (6-9) hỗn hợp cháy tự bốc cháy bugi cha đánh lửa, ảnh hởng xấu đến chế độ làm việc bình thờng động Ngoài tỷ số nén lớn tốc độ cháy tăng lên cách đột ngột gây tợng kích nổ (vì hỗn hợp nén hỗn hợp cháy) phá hỏng chi tiết động Vì tỉ số nén cần đợc lựa chọn phù hợp với loại nhiên liệu 7.1.5 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình động đốt (ctp, ct, ctv) Để đánh giá hiệu suất nhiệt động đốt làm việc theo chu trình khác nhau, ta so sánh chu trình với điều kiện sau: a Khi có tỉ số nén nhiệt lợng q1 cấp vào cho chu trình: Trên đồ thị T-s hình 7.4 biểu diễn chu trình: 123v4v1 chu trình cấp nhiệt đẳng tích, 122341 chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 123p4p1 chu trình cấp nhiệt đẳng áp chu trình có tỷ số nén nhiệt lợng q1, nghĩa v1, v2 diện tích a23vd, a223c a23pb Từ (7-4) ta thấy: chu trình có q1, chu trình có q2 nhỏ có hiệu suất nhiệt cao q2 chu trình cấp nhiệt đẳng tÝch b»ng diƯn tÝch a14vb lµ nhá nhÊt, 76 q2 chu trình cấp nhiệt đẳng áp diện tích a14pd lớn nhất, q2 chu trình cấp nhiệt hỗn hợp diện tích a14c có giá trị trung gian so víi hai chu tr×nh VËy hiƯu st chu trình cấp nhiệt đẳng tích lớn hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng áp nhỏ nhất: (7-10) ctv > ct > ctp Hình 7.4 So sánh chu trình Hình 7.5 So sánh chu trình b Khí có áp suất nhiệt độ lớn nhỏ nhất: ta so sánh hiệu suất nhiệt chu trình nhả nhiệt lợng q2 giống nhau, làm việc với øng st nhiƯt nh− (cïng Tmax vµ pmax) Víi điều kiện đó, chu trình đợc biểu diễn đồ thị T-s hình 7.5 12p34 chu trình cấp nhiệt đẳng áp, 122341 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 lợng nhiệt q2 (diện tích 14ab) đó: nhiệt lợng q1 cấp vào cho chu trình cấp nhiệt đẳng áp diện tích a2p3b lớn nhất, nhiệt lợng q1 cấp vào cho chu trình cấp nhiệt đẳng tích b»ng diƯn tÝch a2v3b lµ nhá nhÊt VËy theo (7-4) ta thấy hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng áp lớn hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng tích nhỏ nhất: (7-11) ctp > ct > ctv Giới hạn p3, T3 phụ thuộc vào sức bền chi tiết động 7.2 Chu trình tuốc bin khí u điểm động đốt có hiệu suất cao Tuy nhiên, động đốt có cấu tạo phức tạp phải có cấu để biến chuyển động thẳng thành chuyển động quay, nên công suất bị hạn chế để khắc phục nhợc điểm trên, ngời ta dùng tuốc bin khÝ Tc bin khÝ cho phÐp chÕ t¹o víi công suất lớn, sinh công liên tục, thiết bị gọn nhẹ nên đợc sử dụng rộng rÃi để kéo máy phát điện, sử dụng giao thông vận tải Dựa vào trình cháy nhiên liệu, chia thành hai loại: tuốc bin khí cháy đẳng áp tuốc bin khí cháy đẳng tích 7.2.1 Sơ đồ thiết bị nguyên lý hoạt động tuốc bin khí 77 Sơ đồ thiết bị nguyên lý hoạt động tuốc bin khí đợc biểu diễn hình 7.6 Không khí đợc nén đoạn nhiệt máy nén khí I, phần lớn đợc đa vào buồng đốt III, phần nhỏ đợc đa phía sau buồng đốt để hoà trộn với sản phẩm cháy nhằm làm giảm nhiệt độ sản phẩm cháy trớc vào tuốc bin Nhiên liệu đợc bơm máy nén II đa vào buồng đốt III Nhiên liệu không khí đợc tạo thành hỗn hợp cháy cháy buồng đốt III Sản phẩm cháy có áp suất nhiệt độ cao ( khoảng 1300-15000C) đợc pha trộn với không khí trích từ máy nén, tạo thành hỗn hợp có nhiệt độ có nhiệt độ khoảng 900-11000C Sau đó, sản phẩm cháyđợc đa qua ống tăng tốc IV, tốc độ tăng lên vào tuốc bin, biến động thành cánh tuốc bin, làm quay tuốc bin kéo máy phát quay theo Sản phẩm cháy sau khỏi tuốc bin đợc thải môi trờng Hình 7.6 Sơ đồ thiết bị tuốc bin khí Quá trình cháy là: - Cháy đẳng áp p = const môi chất vào khỏi buồng đốt cách liên tục, cấu tạo buồng đốt đơn giản - Cháy đẳng tích v = const cháy, van buồng đót phảI đóng lại để thể tích hỗn hợp không đổi, nhằm thực trình cháy đẳng tích, sản phẩm cháy khỏi buồng đốt không liên tục Muốn sản phẩm cháy vào khỏi buồng đốt cách liên tục cần có nhiều buồng đốt, cấu tạo phức tạp tổn thất qua van lín V× vËy, thùc tÕ ng−êi ta th−êng chÕ tạo tuốc bin cháy đẳng áp 7.2.2 Chu trình tuốc bin khí cấp nhiệt đẳng áp Chu trình tuốc bin khí cấp nhiệt đẳng áp đợc biểu diễn đồ thị p-v T-s hình 7.7 1-2 trình nén đoan nhiệt môi chất buồng đốt, 2-3 trình cấp nhiệt đẳng áp buồng đốt, 3-4 trình dÃn nở đoạn nhiệt ống tăng tốc tuốc bin, 4-1 trình nhả nhiệt đẳng áp (thải sản phẩm cháy), * Các đại lợng đặc trng chu trình gồm: 78 - Tỷ sè nÐn: β= p2 p1 (7-12) - HÖ sè d·n nở sớm trình cấp nhiệt: = v3 v2 (7-13) - HiƯu st cđa chu tr×nh: η ct = q1 q (7-14) q1 Trong đó: q1 nhiệt lợng sinh trình cháy đẳng áp, q1 = q23 = Cp(T2 T2), q2 nhiệt lợng thải môi trờng trình 41, q2 = Cp(T4 - T1), Tõ ®ã ta cã hiƯu st cđa chu trình là: ct = (T4 T1 ) (T T2 ) Hình 7.7 Đồ thị p-v T-s chu trình tuốc bin khí cấp nhiệt đẳng áp Tơng tự nh chu trình động đốt trong, thay giá trị vào ta đợc: ct = k −1 k (7-15) Ta thÊy hiƯu st nhiƯt cđa chu trình tuốc bin khí cấp nhiệt đẳng áp phụ thuộc vào k Khi tăng k hiệu suất nhiệt chu trình tăng ngợc lại 7.3 Chu trình động phản lực Đối với động đốt trong, muốn có công suất lớn kích thớc lợng lớn, sử dụng kỹ thuật hàng không đợc Động phản lực đạt đợc công suất tốc độ lớn mà kích thớc trọng lợng thiết bị lại nhỏ, đợc sử dụng nhiều kỹ thuật hàng không, tên lửa vũ trụ 79 Nguyên lý động phản lực là: nhiên liệu đợc đốt cháy, nhiệt biến thành động dòng khí, phun qua ống phun với vận tốc lớn, tạo phản lực mạnh đẩy thiết bị chuyển động phía trớc Động phản lực đợc chia thành hai loại: động máy bay động tên lửa Động máy bay động tên lửa khác chỗ: Oxy cấp cho máy bay lấy từ không khí xung quanh, động tên lửa oxy đợc chứa sẵn dới dạng lỏng động cơ, tên lửa có tốc độ lớn bay chân không 7.3.1 Động máy bay Việc tăng áp suất không khí động máy bay nhờ ống tăng áp, nhờ máy nén Hiện máy bay đợc chế tạo theo kiểu tăng áp phần nhờ ống tăng áp, nhng phần chủ yếu nhờ máy nén, dới ta khảo sát loại Hình 7.8 Sơ đồ cấu tạo động máy bay có máy nén Hình 7.9 Đồ thị p-v chu trình động máy bay có máy nén Sơ đồ cấu tạo động máy bay có máy nén đợc biểu diễn hình 7.8 Cấu tạo động gồm phận nh sau: ống tăng áp 1, máy nén 2, vòi phun nhiên liệu 3, tuốc bin khí 4, ống tăng tốc buồng đốt Chu trình động máy bay đợc biểu diễn hình 7.9, gồm trình: 1-2 trình nén đoan nhiệt không khí ống tăng áp, 2-3 trình nén đoan nhiệt không khí máy nén, 3-4 trình cháy đẳng áp hỗn hợp Không khí-nhiên liệu buồng đốt, cấp cho chu trình lợng nhiệt q1, 4-5 trình sản phẩm cháy dÃn nở đoạn nhiệt tuốc bin khí, sinh công để chạy máy nén, 5-6 trình dÃn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy ống tăng tốc, 6-1 trình thải sản phẩm cháy đẳng áp, nhả môi trờng lợng nhiệt q2 80 Chu trình động máy bay có máy nén cháy đẳng áp hoàn toàn giống nh chu trình tuốc bin khí cấp nhiệt đẳng áp Hiệu suất chu trình đợc xác định theo (7-15): η ct = − (T4 − T1 ) (T − T2 ) =1− β k −1 k (7-16) Ta thấy hiệu suất nhiệt ct tăng tăng ( tỷ số tăng áp trình nén 1-2 ống tăng tốc lẫn máy nén) Rõ ràng tỷ số lớn chu trình động máy bay máy nén, động có hiệu suất so với độngcơ máy nén 7.3.2 Động tên lửa Sơ đồ cấu tạo động tên lửa đợc biểu diễn hình 7.10 Cấu tạo động gồm phận nh sau: Bình chứa nhiên liệu A, Bình chứa oxy lỏng B, bơm nhiên liệu C, bopm oxy lỏng D, buồng đốt E ống tăng tốc F Chu trình động máy bay đợc biểu diễn đồ thị p-v hình 7.11, gồm trình: Hình 7.10 Sơ đồ cấu tạo động tên lửa Hình 7.11 Đồ thị p-v chu trình động tên lửa 1-2 trình nén đoan nhiệt nhiên liệu oxy bơm (vì chất lỏng không chịu nén nên coi trình đẳng tích), 2-3 trình cháy đẳng áp hỗn hợp Không khí-nhiên liệu buồng đốt, cấp cho chu trình lợng nhiệt q1, 3-4 trình dÃn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy ống tăng tốc, 4-1 trình thải sản phẩm cháy đẳng áp môi trờng, nhả lợng nhiệt q2 Hiệu suất chu trình đợc xác định: ct = l q1 (7-17) công kỹ thuật trình dÃn nở đoạn nhiệt 3-4 (bỏ qua công bơm trình 1-2) 81 7.4 chu trình nhà máy nhiệt điện 7.4.1 Chu trình Carno nớc chơng ta đà biết chu trình Carno thuận chiều chu trình có hiệu suất nhiệt cao Về mặt kĩ thuật, dùng khí thực phạm vi bÃo hòa thực đợc chu trình Carno đạt đợc hiệu suất nhiệt lớn phạm vi nhiệt độ Chu trình Carno áp dụng cho khí thực vùng bÃo hòa đợc biểu diễn hình 7.12 Tuy nhiên, khí thực nớc việc thực chu trình Carno khó khăn, lý sau đây: - Quá trình nhả nhiệt đẳng áp, ngng tụ thành nớc (quá trình 2-3) thực không hoàn toàn Muốn nén đoạn nhiệt ẩm theo qúa trình 3-4, cần phải có máy nén kích thớc lớn tiêu hao công lớn - Nhiệt độ tới hạn nớc thấp (374,15 0C) nên độ chênh nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh chu trình không lớn lắm, công chu trình nhỏ Hình 7.12 chu trình Carno nớc - Các giọt ẩm va đập vào cánh tuốc bin gây tổn thất lợng ăn mòn màimòn nhanh cánh Tuốc bin 7.4.2 Chu trình Renkin (chu trình nhà máy điện) Nh đà phân tích trên, có hiƯu st nhiƯt cao nh−ng chu tr×nh Carno cã mét số nhợc điểm áp dụng cho khí thực, nên thực tế ngời ta không áp dụng chu trình mà áp dụng chu trình cải tiến gần với chu trình gọi chu trình Renkin Chu trình Renkin chu trình thuận chiều, biến nhiệt thành c«ng T P1 P2 2’ s Hình 7.13 Sơ đồ thiết bị nhà máy điện Hình 7.14 Đồ thị T-s chu trình NMNĐ Chu trình Renkin chu trình nhiệt đợc áp dụng tất lọai nhà máy nhiệt điện, môi chất nớc Tất thiết bị nhà máy nhiệt điện 82 giống trừ thiết bị sinh I Trong thiết bị sinh hơi, nớc nhận nhiệt để biến thành Đối với nhà máy nhiệt điện thiết bị sinh lò hơi, nớc nhận nhiệt từ trình đốt cháy nhiên liệu Đối với nhà máy điện mặt trời địa nhiệt, nớc nhận nhiệt từ lợng mặt trời từ nhiệt lòng đất Đối với nhà máy điện nguyên tử, thiết bị sinh thiết bị trao ®ỉi nhiƯt, ®ã n−íc nhËn nhiƯt tõ chÊt tải nhiệt lò phản ứng hạt nhân Sơ đồ thiết bị chu trình Renkin đợc trình bày hình 7.13 Đồ thị T-s chu trình đợc biểu diễn hình 7.14 Nớc ngng bình ngng IV (ở trạng thái đồ thị) có thông số p2, t2,, i2, đợc bơm V bơm vào thiết bị sinh I với áp suất p1 (quá trình 2-3) Trong thiết bị sinh hơi, nớc ống sinh nhận nhiệt đẳng áp đến sôi (quá trình 3-4), hoá (quá trình 4-5) thành nhiệt nhiệt II (quá trình 5-1) Quá trình 3-4-5-1 trình hóa đẳng áp ¸p suÊt p1 = const H¬i khái bé qu¸ nhiệt II (ở trạng thái 1) có thông số p1, t1 vào tuốc bin III, dÃn nở đoạn nhiệt đến trạng thái (quá trình 1-2) sinh công tuốc bin Hơi khỏi tuốc bin có thông số p2, t2, vào bình ngng IV, ngng tụ thành nớc (quá trình 2-2), lại đợc bơm V bơm trở lò Quá trình nén đoạn nhiệt bơm xem trình nén đẳng tích nớc không chịu nén (thể tích thay đổi) 7.4.2.2 Hiệu suất nhiệt chu trình Renkin Hiệu suất nhiệt chu trình t đợc tính theo c«ng thøc: η ct = q1 − q q1 = l q1 (7-18) Nhiệt lợng nhận đợc trong lò theo trình đẳng áp 3-1 là: q1 = i1 i3 Nhiệt lợng môi chất nhả cho nớc làm mát bình ngng trình đẳng áp 2-2 là: q2= i2 i2 Thông thờng, áp suất không cao lắm, công tiêu tốn cho bơm nớc cấp bé so với công Tuốc bin sinh nên ta bỏ qua công bơm, nghĩa coi i2 i3 Khi công chu tr×nh sÏ b»ng: (7-19) l = q1 - ⎢q2 ⎢ = i1 - i3 - i2- i2’ ≈ i1 - i2 HiƯu st nhiƯt chu tr×nh sÏ b»ng: η ct = l i1 − i = q i1 i (7-20) 7.4.2.3 Các biện pháp nâng cao hiƯu st cđa chu tr×nh HiƯu st nhiƯt cđa chu trình Renkin biểu thị hiệu suất chu trình Carno tơng đơng: 83 max t = η tcarno = − T2 T1 (7-20) Tõ (7-20) ta thÊy: hiƯu st nhiƯt cđa chu tr×nh giảm nhiệt độ trung bình T2tb trình nhả nhiệt bình ngng tăng nhiệt độ trung bình T1tb trình cấp nhiệt lò * Giảm nhiệt độ trung bình trình nhả nhiệt T2tb Hình 10.7 biểu diễn chu trình Renkin có áp st ci gi¶m tõ p2 xng p2o , nhiƯt độ đầu t1 áp suất đầu P1 không thay đổi Khi giảm áp suất ngng tụ p2 bình ngng, nhiệt độ bÃo hòa ts giảm theo, nhiệt độ trung bình T2tb trình nhả nhiệt giảm xuống Theo (10-29) hiệu suât nhiệt t chu trình tăng lên Tuy nhiên, nhiệt độ ts bị giới hạn T nhiệt độ nguồn lạnh (nhiệt độ nớc làm mát bình ngng), áp suất cuối chu trình xuống thấp, thờng từ 2Kpa ®Õn 5Kpa tïy theo ®iỊu kiƯn khÝ hËu tõng vùng Mặt 30 khác, giảm áp suất p2 xuống độ x=1 ẩm tầng cuối tuốc bin 20 x=0 giảm xuống, làm giảm hiệu suất s tuổi thọ Tuốc bin, làm Hình 10.15 ảnh hởng áp suất cuối giảm hiệu suất chung toàn nhà máy * Nâng cao nhiệt độ trung bình trình cấp nhiệt T1tb Để nâng nhiệt độ trung bình trình cấp nhiệt T1tb, tăng áp suất đầu p1 nhiệt độ đầu t1 T T 10 10 1 40 50 3 2’ x=0 20 x= s Hình 7.16 ảnh hởng nhiệt độ đầu x=0 20 x=1 s Hình 7.17 ảnh hởng áp suất đầu 84 - Hình 7.16 biểu diễn chu trình Renkin có nhiệt độ nhiệt tăng từ t1 lên t10 áp suất nhiệt p1 áp suất cuối p2 không đổi Khi nhiệt độ trung bình T1tb trình cấp nhiệt 3451 tăng lên, theo (7-21) hiệu suất nhiệt t chu trình tăng lên - Hình 7.17 biểu diễn chu trình Renkin có áp suất đầu tăng từ p1 đến p10, nhiệt độ nhiệt t1 áp suất cuối p2 không thay đổi Nếu giữ nguyên nhiệt độ nhiệt t1 áp suất cuối p2, tăng áp suất p1 nhiệt độ sôi trình 4-5 tăng, nhiệt độ trung bình T1tb trình cấp nhiệt 3451 tăng lên T2tb giữ nguyên, dẫn đến hiệu suất nhiệt t chu trình tăng lên Tuy nhiên tăng áp suất p1 độ khô tầng cuối tuốc bin giảm, giảm hiệu suất tuổi thọ tuốc bin Khi tăng nhiệt độ đầu độ ẩm giảm, nhng tăng áp suất đầu độ ẩm tăng Do thực tế ngời ta thờng tăng đồng thời áp suất nhiệt độ đầu để tăng hiệu suất chu trình mà độ ẩm không tăng, nên hiệu suất chu trình Renkin thực tế tăng lên Chính vậy, ứng với giá trị áp suất đầu ngời ta chọn nhiệt độ đầu tơng ứng, hai thông số gọi thông số kết đôi 7.4.3 Chu trình trích gia nhiệt nớc cấp Một biện pháp khác để nâng cao hiệu suất chu trình Renkin trích phần từ tuôc bin để gia nhiệt hâm nớc cấp Sơ đồ thiết bị chu trình gia nhiệt hâm nớc cấp đợc biểu diễn hình 7.18 Chu trình khác chu trình Renkin chỗ: Cho 1kg vào tuốc bin, sau dÃn nở phần đầu Tuốc bin từ áp suất p1 đến áp suất pt, ngời ta trích lợng g1 g2 để gia nhiệt nớc cấp, lợng qua phần sau tuốc bin vào bình ngng giảm xuống gk: (7-22) gk = - g1 - g2 Lợng nhiệt nhả bình ngng giảm xuống còn: 1k g II II I g1 I g g2 VI I IV V I V II V Hình 7.18 chu trình gia nhiệt hâm nớc cÊp hn (7-23) q2 = (i2 - i2’)(1 - g1 - g2) < (i2 - i2’) HiƯu st chu tr×nh có trích hâm nóng nớc cấp là: = tr ct q1 − q q1 hn = l q1 (7-24) 85 η = 1− tr ct q2 hn q1 > η ct = − q2 q1 (7-25) Lợng vào bình ngng giảm, nghĩa lợng nhiệt q2 mà nhả cho nớc làm mát bình ngng giảm Từ (7-25) rõ ràng ta thấy hiệu suất nhiệt chu trình có trích gia nhiệt hâm nớc cấp tăng lên 7.4.4 Nhà máy điện dùng chu trình hỗn hợp Tuốc bin khí - Chu trình hỗn hợp chu trình ghép, gồm chu trình Renkin nớc chu trình Tuốc bin khí Sơ đồ thiết bị đồ thị T-s chu trình đợc thể hình 7.19 Hệ thống thiết bị bao gồm: thiết bị sinh (buồng đốt); tuốc bin nớc 2; bình ngng 3; bơm n−íc cÊp 4; bé h©m n−íc 5; tc bin khÝ 6; máy nén không khí Hình 7.20 Sơ đồ thiết bị đồ thị T-s chu trình hỗn hợp Nguyên lí làm việc chu trình thiết bị nh sau: Không khí đợc nén đoạn nhiệt máy nén đến áp suất nhiệt độ cao, đợc đa vào buồng đốt với nhiên liệu cháy buồng đốt dới áp suất cao, không đổi Sau nhả phần nhiệt cho nớc dàn ống buồng đốt 1, sản phẩm cháy vào tuèc bin khÝ 6, d·n në sinh c«ng Ra khái tuốc bin khí, sản phẩm cháy có nhiệt độ cao, tiếp tục qua hâm nớc 5, gia nhiệt cho nớc thải Nớc đợc bơm bơm qua hâm nớc 5, vào dàn ống buồng đốt nớc nhận nhiệt biến thành nhiệt Hơi nhiệt vào tuốc bin 2, dÃn nở đoạn nhiệt sinh công Ra khỏi tuốc bin, vào bình ngng nhả nhiệt đẳng áp, ngng tụ thành nớc đợc bơm bơm trở lò, lặp lại chu trình cũ Đồ thị T-s chu trình nhiệt đợc biểu diễn hình 7.20 Nhiệt lợng nhiên liệu cháy tỏa trình b-e chia thành hai phần: phần dùng để sản xuất nớc thiết bị sinh 1, phần cấp cho tuốc bin khí - a-b: trình nén đoạn nhiệt không khí máy nén khí 7; 86 - b-c: trình cấp nhiệt (cháy) đẳng áp buồng đốt 1; - c-d: trình dÃn nở đoạn nhiệt sinh công tuốc bin khí 6; - d-a: trình nhả nhiệt đẳng áp hâm nớc 5; - 3-1-1-1: trình nớc nhận nhiệt đẳng áp hâm buồng đốt 1; - 1-2; 2-2; 2-3 trình dÃn nở đoạn nhiệt tuốc bin, ngng đẳng áp bình ngng, nén đoạn nhiệt bơm nh chu trình Renkin Hiệu suất chu trình là: ct = l q1 (7-28) Trong đó: l: Công tuốc bin tuốc bin khí, l = lh + lk q1: nhiệt lợng nhiên liệu tỏa cháy buồng đốt 7.5 chu trình thiết bị lạnh chạy Amoniac, Frêon Chu trình thiết bị lạnh chạy chu trình ngợc chiều, nhận nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp, nhả nhiệt chonguồn có nhiệt độ cao Môi chất sử dụng làm thiết bị lạnh thực tế thờng số chất lỏng có nhiệt độ sôi thấpở áp suất bình thờng, hệ số toả nhiệt lớn, rẻ tiền, không độc hại Tuỳ theo phơng pháp tăng áp suất môi chất ta chia hai loại: chu trình thiết bị lạnh có máy nén chu trình thiết bị lạnh hấp thụ (không có máy nén) 7.5.1 Chu trình thiết bị lạnh có máy nén Môi chất thờng dùng máy lạnh có máy nén Amoniac (NH3) hay Frêon F12, F22 (có công thức: CmHxFyClz) Amônian thờng dùng máy lạnh công nghiệp để sản xuất nớc đá làm lạnh thực phẩm, nhiệt ẩn hoá lớn nên chế tạo với công suất lớn Frêon thờng dùng máy lạnh gia đình nh tủ kem, tủ lạnh gia đình không đòi hỏi công suất lớn, không mùi không độc hại Sơ đồ nguyên lý máy lạnh có máy nén đợc thể hình 7-20 Hơi môi chất trạng thái bảo hoà khô từ buồng lạnh IV có áp suất p1 đợc máy nén hút vào nén đoạn nhiệt ®Õn ¸p st p2, nhiƯt ®é t2 Sau ®ã ®i vào bình ngng II ngng tụ đẳng áp áp suất p2, nhả lợng nhiệt q1 cho không khí hay nớc làm mát Lỏng ngng tụ từ dàn ngng II qua van tiết lu III, giảm áp suất từ p2 xuống p1 chuyển từ dạng lỏng sang dạng ẩm Hơi ẩm tiếp tục vào buồng lạnh IV nhận nhiệt lơng q2 vật cần làm lạnh áp suất p1 = const biến thành hơibÃo hoà khô chu trình lặp lại nh cũ Các trình máy lạnh dùng có máy nén đợc biểu thị đồ thị hình 7-21 1-2 trình nén đoạn nhiệt máy nén, áp suất tăng từ p1 đến p2, 2-3 trình ngng tụ đẳng áp áp suất p2 = const, nhả lợng nhiệt q1 cho không khí hay nớc làm mát, 3-4 trình tiết lu van tiết lu, áp suất giảm từ p2 xuống p1, 87 4-1 trình bốc dàn bốc buồng lạnh, môi chất nhiệt lợng q2 áp suất p1 = const Hệ số làm lạnh: q q2 i1 i ε= = = , l q − q (i − i ) − (i i ) trìnhtiết lu i4 = i3, ®ã: i −i ε= (i i1 ) Năng suất máy lạnh: Q0 = G.q2, Công suất máy nén: N = G.l, đây: G lu lợng môi chất chu trình, kg/s (7-26) 7.5.2 Bơm nhiệt Bơm nhiệt đợc gọi máy điều hoà hai chiều Bơm nhiệt làm lạnh, hút ẩm sởi ấm, đợc dùng phổ biến miền Bắc nớc ta Khi dùng với chức sởi ấm, bơm nhiệt tiết kiệm đợc điện nhiều so với dùng lò sởi điện trở Nguyên lý làm việc bơm nhiệt nh sau: Môi chất trạng thái bảo hoà khô từ buồng lạnh IV đợc máy nén hút vào nén đoạn nhiệt từ áp suất p1 đến áp suất p2, nhiệt độ t2 Sau vào dàn ngng II ngng tụ đẳng áp áp suất p2, nhả lợng nhiệt q1 biến thàng lỏng Lỏng từ dàn ngng II qua van tiết lu III, giảm áp suất từ p2 xuống p1 chuyển từ dạng lỏng sang dạng ẩm, vào dàn bay để nhận nhiệt lơng q2 Nếu sử dụng lợng hữu ích từ dàn bay (dàn lạnh, đợc bố trí phòng) máy làm việc theo chế độ làm lạnh; Nếu sử dụng lợng hữu ích từ dàn ngng (dàn nóng, đợc bố trí phòng) máy làm việc theo chế độ sởi ấm (bơm nhiệt) Trong thực tế dàn đợc bố trí cố định, cần đổi chiều chuyển động cuả dòng môi chất nhờ van đổi chiều Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt đợc thể hình 7-22 Chỉ cần thay đổi vai trò đóng, mở van, thiết bị làm lạnh sởi ấm Thiết bị 88 gồm máy nén C, hai dàn trao đổi nhiệt A B, hai dàn thay làm dàn lạnh (dàn bốc hơi) dàn nóng (dàn ngng tụ); van tiết lu D van đóng mở từ 1-8 để thay đổi chức làm việc máy Môi chất Frêon Amôniac Để xét nguyên lý vận hành thiết bị, ta coi dàn A đặt phòng * Máy làm việc với chức sởi ấm: Mở van 2, 4, 6, đóng van 1, 3, 5, 7, môi chất từ máy nén C theo chiều C4A6D8B2C Môi chất đợc máy nén hút vào nén đến áp suất nhiệt độ cao, qua van vào dàn ngng A, nhả lợng nhiệt cho không khí phòng Bản thân môi chất nhiệt, ngng tụ, qua van van tiết lu D, biến thành bảo hoà ẩm nhiệt độ áp suất thấp, qua van vào dàn bay B để nhận nhiệt từ môi trờng xung quanh, bốc đợc hut máy nén, hoàn chỉnh chu trình ngợc chiều * Máy làm việc với chức làm mát: Đóng van 2, 4, 6, mở van 1, 3, 5, 7, môi chất từ máy nén C theo chiều C1B7D5A3C Môi chất đợc máy nén hút vào nén đến áp suất nhiệt độ cao, qua van vào dàn ngng B, nhả lợng nhiệt cho môi trờng xung quanh Bản thân môi chất nhiệt, ngng tụ, qua van van tiết lu D, biến thành bảo hoà ẩm nhiệt độ áp suất thấp, qua van vào dàn bay A để nhận nhiệt từ không khí phòng, làm cho nhiệt đọ phòng giảm xuống, môi chất bốc đợc hut máy nén, hoàn chỉnh chu trình ngợc chiều để làm mát phòng 89 ... trình khác Ngoài chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, có chu trình cấp nhiệt đẳng áp, chu trình cấp nhiệt đẳng tích 7. 1.3.1 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích chu trình cấp nhiệt đẳng tích, nhiên liệu (xăng) không... nén 7. 1.3.2 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp Nếu chu trình cấp nhiệt hỗn hợp có = 1, tức p2 = p2 = p3, nghĩa trình cấp nhiệt giai đoạn cháy đẳng áp 2-3, chu trình cấp nhiệt hỗn hợp trở thành chu trình. .. điều kiện đó, chu trình đợc biểu diễn đồ thị T-s hình 7. 5 12p34 chu trình cấp nhiệt đẳng áp, 122341 chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 12v34 chu trình cấp nhiệt đẳng tích Trên đồ thị, chu trình có p1,