Đang tải... (xem toàn văn)
Chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt (động cơ ô tô) là chu trình thuận chiều. Vì vậy, các kiến thức chương này sẽ giúp người học giải thích và phân tích rõ ràng hơn về các quá trình xảy ra trong chu trình làm việc động cơ đốt trong. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật phần 2 sẽ cung cấp những kiến thức cơ bản về chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm nội dung chi tiết.
47 CHƯƠNG CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT Mã số chương 4: MH 13- 04 Giới thiệu: Chu trình nhiệt động động nhiệt (động tơ) chu trình thuận chiều Vì vậy, kiến thức chương giúp người học giải thích phân tích rõ ràng trình xảy chu trình làm việc động đốt Mục tiêu: - Phát biểu khái niệm, yêu cầu phân loại chu trình nhiệt động - Giải thích sơ đồ câu tạo nguyên lý hoạt động chu trình thuận chiều (động nhiệt) - Nhận dạng câu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt dùng xe ô tô - Tuân thủ quy định, quy phạm lĩnh vực nhiệt kỹ thuật Nội dung chính: KHÁI NIỆM VÀ YÊU CÀU Mục tiêu: - Phát biểu khái niệm, yêu cầu chu trình nhiệt động 1.1 Khái niệm: Chu trình nhiệt động trình khép kín - Q trình nhiệt động: q trình biến đổi trạng thái hệ nhiệt động Trong trình nhiệt động phải có thơng số trạng thái thay đổi Điều kiện để có thay đổi trạng thái nhiệt động có trao đổi nhiệt công với môi trường xung quanh - Quá trình nhiệt động bản: trình nhiệt động, có thơng số trạng thái thông số nhiệt động môi chất công tác khơng thay đối - Q trình cân bằng: q trình mơi chất cơng tác biến đổi qua thơng số trạng thái cân Q trình cân biểu diễn đường cong hệ trục tọa độ trạng thái, trục thể thông số trạng thái độc lập - Quá trình thuận nghịch: trình cân biến đồi ngược lại dé trở trạng thái ban đầu mà hệ nhiệt động môi trường xung quanh khơng có thay đổi Ngược lại, điều kiện khơng đạt q trình khơng thuận nghịch Mọi q trình thực tự nhiên q trình khơng thuận nghịch Trong kỹ thuật, trìnhđược thực gần với q trình thuận nghịch có lợi cơng nhiệt 48 Biểu diễn chu trình nhiệt động:chu trình nhiệt động thường biểu diễn hệ trục tọa độ trạng thái Tùy thuộc mục đích nghiên cứu, trục hệ trục tọa độ trạng thái thông số trạng thái khác Đường biểu diễn chu trình nhiệt động hệ trục p - V gọi đồ thị công, đường biểu diễn hệ trục T - s gọi đồ thị nhiệt 1.2 Yêu cầu Đề nghiên cứu q trình chu trình nhiệt đơng, ta giả thiết: - Mơi chất khí lý tưởng đồng - Các trình xây thuận nghịch - Quá trình cháy trình cấp nhiệt, trình thải sản phẩm cháy trinh nha nhiét - Cơng q trình nạp mơi chất trình thải sản phẩm cháy triệt tiêu lẫn biến hệ thành hệ kín PHÂN LOẠI CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG Mục tiêu: - Phân loại chu trình nhiệt động - Giải thích sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động chu trình nhiệt động - Tuân thủ quy định, quy phạm lĩnh vực nhiệt kỹ thuật Dựa vào khái niệm trình nêu chu trình nhiệt động phân loại thành: - Chu trình nhiệt động thuận nghịch: chu trình mà tất trình thuận nghịch - Chu trình thuân chiều: chu trình biến đồi nhiệt thành cơng - Chu trình ngược chiều: chu trình biến đổi công thành nhiệt Sau nghiên cứu số chu trình nhiệt động thực tế 2.1 Chu trình động đốt a Chu trình cấp nhiệt hợp Trong chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, nhiên liệu bơm cao áp nén đến áp suất cao, phun vào xy lanh dạng sương mù Trong xy lanh khơng khí nén đến áp suất nhiệt độ cao, vào xy lanh gặp khơng 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 tưởng động đốt cấp nhiệt hỗn hợp trình bày hình 4.1 Chu trình gồm: -2 trình nén đoan nhiệt 2-2" q trình cấp nhiệt đăng tích, mơi chất nhận nhiệt lượng q` 2ˆ-3 trình cấp nhiệt đẳng áp, môi chất nhận nhiệt lượng q¡” 3-4 trình giãn nở đoạn nhiệt 49 4-1 trình nhả nhiệt đẳng tích, nhả nhiệt lượng q› + Các đại lượng đặc trưng cho chu trình: - Thơng số trạng thái đầu: p,, T) - Ty so nén: c= (4-1) - Ty số tăng áp: A= (4-2) - Hệ số giãn nở sớm: p= (4-3) + Hiệu suất chu trình: Net = (4-4) Trong đó: q¡ nhiệt lượng chu trình nhận từ trình cháy nhiên liệu, gồm: q¡` nhiệt lượng nhận từ q trình cháy đẳng tích 2-2), vay: q¡” nhiệt lượng nhận từ trình cháy đẳng áp 2'-3, qi=qi'+ qi’, - ; q› nhiệt lượng cho nguôn lạnh q trình nhả nhiệt đăng tích 4- 1, Từ ta có hiệu suất chu trình là: Net = i= (4-5) vi 2-2’ la qua trinh cap nhiét dang tích, nên q¡” = C¿(T; - T;`) 2)-3 trình cấp nhiệt đẳng ap, qi” = C,(T; - T2”) vi 4-1 14 qua trinh nha nhiét dang tích, nên q;= C¿(T¿ - T)) Thay giá trị q¡”, qị” qa vào (4-5) ta được: Tg=siz Na =1- mm Œ(T,¡~T;)+cpÝ (4-6a) (T¿-T; („-T,)skC (4-6b) Dựa vào đặc điểm trình chu trình, ta tiếp tục biến đơi để tính hiệu suất chu trình theonhiệt độ dau T, va đại lượng đặc trưng cho chu trình ta có: Ne =I - [Gna zpR (4-7) T s Hình 4.1 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp đồ thị p-V T-s b Chu trình cáp nhiệt đẳng tích 50 Ở chu trình cấp nhiệt đẳng tích, nhiên liệu (xăng) khơng khí hỗn hợp trước ngồi xy lanh Sau hỗn nhiên liệu khơng khí nạp vào xy lanh nén đoạn nhiệt đến áp suất nhiệt độ cao (được biểu diễn đoạn 1-2) thấp nhiệt độ tự bốc cháy nên khơng tự bốc cháy Q trình cháy xây nhờ bugi bật tia lửa điện, trình cháy (được biểu diễn đoạn 2-3) xây nhanh làm cho áp suất xy lanh tăng vọt lên xy lanh chưa kịp dịch chuyền, thê tích hỗn hợp khí xy lanh khơng đồi, q trình coi q trình cháy đẳng tích Sau sản phẩm cháy giãn nở, đẩy piston dịch chuyển sinh cơng Q trình giãn nở coi đoạn nhiệt, (được biểu diễn đoạn 3-4) Cuối trình thải sản phẩm cháy (được biểu diễn đoạn 4-1), q trình đẳng tích Các q trình lặp lại cũ, thực chu trình P Vv Hình 4.2 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích Đây chu trình động ơtơ chạy xăng hay gọi động cháy cưỡng nhờ bugi đánh lửa Đồ thị thay đổi trạng thái mơi chất biểu diễn hình 4.2 Từ cơng thức tính hiệu suất chu trình cấp nhiệt hỗn hop (4-7), ta thấy: Nếu chu trình cấp nhiệt hỗn hợp có p = 1, tite 1a v2’ = vạ = vạ, qtrình cấp nhiệt cịn giai đoạn cháy đăng tích 2-3, chu trình cấp nhiệt hỗn hợp trở thành chu trình cấp nhiệt đẳng tích Khi thay p = I vào cơng thức (4-7) ta hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng tích: Net = | - À—1 manh (4-8) Như hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng tích phụ thuộc vào tỷ số nén e e Chu trình cấp nhiệt đẳng áp Nếu chu trình cấp nhiệt hn hop c6 = 1, tite la po’ = po = p3, nghĩa trình cấp nhiệt cịn giai đoạn cháy đẳng áp 2-3, chu trình cấp 51 nhiệt hỗn hợp trở thành chu trình cấp nhiệt đăng áp Ở chu trình này, khơng khí nén đoạn nhiệt đến áp suất nhiệt độ cao, đến cuối q trình nén nhiên liệu khí tạo nên Khi nhiệt đẳng phun vào xy lanh dạng sương mù, pha trộn với không hỗn hợp cháy tự bốc cháy thay A = vào cơng thức (4-7) ta hiệu suất chu trình cấp áp: Ne = - = (4-9) 2k- Như hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng tích phụ thuộc vào tỷ số nén e tỷ số giãn nở sớm Quá trình thay đổi trạng diễn đồ thị p-v T-s hình Hiện người ta không P p thái môi chất chu trình biểu 4.3 chế tạo động theo nguyên lý T Hình 4.3 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp d Nhận xét - Hiệu suất nhiệt chu trình động cấp nhiệt hỗn hợp phụ thuộc vào k - Dong cấp nhiệt đăng áp cấp nhiệt hỗn hợp làm việc với tỷ số nén cao Tuy nhiên chiều dài xy lanh phải tăng lên gặp khó khăn vấn đề chế tạo, đồng thời tổn thất ma sát động tăng làm giảm hiệu suất - Trong dong co cap nhiệt dang tích q trình cháy cưỡng (nhờ bugi), e tăng cao trị số giới hạn hỗn hợp cháy tự bốc cháy chưa đánh lửa, ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc bình thường Ngồi tỷ số nén lớn tốc độ cháy tăng lên ngột gây tượng kích nổ (vì hỗn hợp nén hỗn hợp cháy) phá tiết động Vì tỷ số nén cần lựa chọn phù hợp với bugi động cách đột hỏng loại nhiên liệu e So sánh hiệu suất nhiệt chu trình động đốt Để 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 e nhiệt lượng q¡ cấp vào cho chu trình: 52 Trên đồ thị T-s hình 4.4 biểu diễn chu trình: 123v„v; chu trình cấp nhiệt đẳng tích, 122°341 chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 123pap chu trình cấp nhiệt đẳng áp Ba chu trình có tỷ số nén e nhiệt lượng q¡, nghĩa vị, v; diện tích a23,d; a22'3c a23,b Từ (4- 4) ta thấy: chu trình có q, chu trình có q; nhỏ có hiệu suất nhiệt cao qs qs q; với hai chu trình cấp nhiệt đẳng tích diện tích a14,b nhỏ chu trình cấp nhiệt đẳng áp diện tích al4pd lớn chu trình cấp nhiệt hỗn hợp diện tích al4c có giá trị trung gian so chu trình Vậy hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng tích lớn hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng áp nhỏ nhất: T\cv>TIe>†lctp 0 (4-10) bedi s Hình 4.4 So sánh chu trình có e q1 -Khi có áp suất nhiệt độ lớn nhỏ nhất: Hình 4.5 So sánh chu trình có cùng Tmax pmax Ở ta so sánh hiệu suất nhiệt chu trình nhả nhiệt lượng q› giống nhau, làm việc với ứng suất nhiệt (cling Trax Va Pmax)- Với điều kiện đó, chu trình biéu dién trén dé thi T-s hinh 4.5 12,34 chu trình cấp nhiệt đăng áp; 122”341 chu trình cấp nhiệt hỗn hợp va 12,34 chu trình cấp nhiệt đăng tích Trên đồ thị, ba chu trình có Di Tì pạ, T; nghĩa nhả lượng nhiệt q› (diện tích 14ab) đó: nhiệt lượng q¡ cấp vào cho chu trình cấp nhiệt đẳng áp diện 53 tích a2;3b lớn nhất, nhiệt lượng q¡ cấp vào cho chu trình cấp nhiệt đăng tích diện tích a2,3b nhỏ Vậy theo (4-4) ta thấy hiệu suất chu trình cấp nhiệt đẳng áp lớn nhấtvà hiệu suất chu trình cấp nhiệt đăng tích nhỏ nhất: T|cp>TiePTlew ` (4-11) Giới hạn pa, T: phụ thuộc vào sức bên tiêt động 2.2 Chu trình tua-bin khí Ưu điểm động đốt có hiệu suất cao Tuy nhiên, động đốt có cấu tạo phức tạp phải có cấu dé biến chuyền động thẳng thành chuyển động quay, nên công suất bị hạn chế Đề khắc phục nhược điểm trên, người ta dùng tua- bin khí Tua- bin khí cho phép chế tạo với công suất lớn, sinh công liên tục, thiết bị gọn nhẹ nên sử dụng rộng rãi để kéo máy phát điện, sử dụng giao thông vận tải Dựa vào q trình cháy nhiên liệu, chia thành hai loại: tua- bin khí cháy đẳng áp tuốc bin khí cháy đẳng tích a Sơ đồ nguyên lý nguyên tắc hoạt động tua-bin khí Sơ đồ thiết bị nguyên lý hoạt động tua -bin khí biểu diễn hình 4.6 Khơng khí nén đoạn nhiệt máy nén khí I, phần lớn đưa vào buồng đốt III, phần nhỏ đưa phía sau buồng đốt để hồ trộn với sản phẩm cháy nhằm làm giảm nhiệt độ sản phẩm cháy trước vào tua -bin Nhiên liệu bơm máy nén II đưa vào buồng đốt III Nhiên liệu khơng khí tạo thành hỗn hợp cháy cháy buồng đốt III Sản phẩm cháy có áp suất nhiệt độ cao ( khoảng 13001500°C) pha trộn với khơng khí trích từ máy nén, tạo thành hỗn hợp có nhiệt độ cónhiệt độ khoảng 900-1 100C Sau đó, sản phâm cháyđược đưa qua ống tăng tốc IV, tốc độ tăng lên vào tua -bin, biến động thành cánh tua -bin, làm quay tuốc bin kéo máy phát quay theo Sản phẩm cháy sau khỏi tua -bin thải mơi trường Hình 4.6 Sơ đồ ngun lý tua-bin khí 54 Q trình cháy có thê 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 Ở cháy, van buồng đót phải đóng lại để thể tích hỗn hợp khơng đổi, nhằm thực q 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 tơn thất qua van lớn Vì vậy, thực tế người ta thường chế tạo tua- bin cháy đẳng áp b Chu trình tua- bin cấp nhiệt đăng áp Chu trình tua - bin khí cấp nhiệt đẳng áp biểu diễn đồ thị p-v T-s hình 4.7 + -2 trình nén đoan nhiệt mơi chất buồng đốt + -3 trình cấp nhiệt đẳng áp buồng đốt +3 -4 trình giãn nở đoạn nhiệt ống tăng t6c(trong tua- bin) +4 -1 trình nhả nhiệt đẳng áp (thải sản phẩm cháy) -Tỷ số nén: B= (4-12) - Hệ số giãn nở sớm trình cấp nhiệt: p= (4-13) - Hiệu suất chu trình: Net = (4-14) Trong do: q¡ nhiệt lượng sinh trình cháy đẳng áp; qi = 423 = C,(T2 - T2’) q› nhiệt lượng thải mơi trường q trình 41; q2= C,(T; - T)) Từ ta có hiệu suất chu trình là: Ne = 1- 55 Ề s Hình 4.7 Đồ thị p-v T-s tua- bin khí cấp nhiệt đẳng áp Tương tự chu trình động đốt trong, thay giá trị vào ta được: nes (4-15) Ta thấy hiệu suất nhiệt chu trình tuốc bin cấp nhiệt đẳng áp phụ thuộc vào B va k Khi tăng Ð k hiệu suất nhiệt chu trình tăng ngược lại 2.3 Chu trình động phản lực Đối với động đốt trong, muốn có cơng suất lớn kích thước trọng lượng lớn, khơng thể sử dụng kỹ thuật hàng khơng Động phản lực đạt cơng suất tốc độ lớn mà kích thước trọng lượng thiết bị lại nhỏ, sử dụng nhiều kỹ thuật hàng không, tên lửa vũ trụ Nguyên lý động phản lực là: nhiên liệu đốt cháy, nhiệt biến thành động dịng khí, phun qua ống phun với vận tốc lớn, tạo phản lực mạnh thiết bị chuyên động phía trước Động phản lực 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 khơng khí xung quanh, động tên lửa oxy chứa sẵn đưới dạng lỏng động cơ, tên lửa có tốc độ lớn bay chân không a Động máy bay Việc tăng áp suất khơng khí động máy bay có thẻ nhờ ống tăng áp, nhờ máy nén Hiện máy bay chế tạo theo kiểu tăng áp phần nhờ ống tăng áp, phần chủ yếu nhờ máy nén, ta khảo sát loại Hình 4.8 Sơ đồ cấu tạo Sơ đồ cấu tạo động hình 4.8 Cấu tạo động gồm máy nén 2, vịi phun nhiên liệu 3, Chu trình động máy Hình 4.9 Đồ thị T-s máy bay có máy nén biêu diễn phận sau: ơng tăng áp 1, tua- bin khí 4, ống tăng tốc buồng đốt bay biểu diễn hình 4.9, gồm trình: + 1-2 q trình nén đoan nhiệt khơng khí ống tăng áp + 2-3 trình nén đoan nhiệt khơng khí máy nén + 3-4 q trình cháy đăng áp hỗn hợp Khơng khí-nhiên liệu buồng đốt, cấp cho chu trình lượng nhiệt q¡ + 4-5 trình sản phâm cháy giãn nở đoạn sinh công đề chạy máy nén, + 5-6 trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm + 6-1 trình thải sản phẩm cháy đẳng áp, nhiệtqz Chu trình động máy bay có máy nén giống chu trình tua- bin khí cấp nhiệt đăng áp xác định theo (7-15): Na = nhiệt tuốc bin khí, cháy ống tăng tốc, nhả mơi trường lượng cháy đăng áp hồn tồn Hiệu suất chu trình (1-16) Ta thấy hiệu suat nhiéty,, ting khif tang ( tỷ số tăng áp trình nén 1-2 ống tăng tốc lẫn máy nén) Rõ ràng tỷ số B lớn chu trình động máy bay khơng có máy nén, động có hiệu suất so với độngcơ khơng có máy nén b Động tên lửa Sơ đồ cầu tạo động tên lửa biểu diễn hình 4.10 Cấu tạo động gồm phận sau: Bình chứa nhiên liệu A, bình chứa oxy lỏng B, bơm nhiên liệu C, bơm oxy lỏng D, buồng đốt E ống tăng tốc F 57 Chu trình động máy bay biểu diễn đồ thị p-v hình 4.11, gồm trình: A : x © F © B Hình 4.10 Sơ đồ ngun lý Hình 4.11 Đơ thị P-v v + 1-2 trình nén đoan nhiệt nhiên liệu oxy bơm (vì chất lỏng khơng chịu nén nên coi q trình đẳng tích) + 2-3 q trình cháy đẳng áp hỗn hợp Khơng khí-nhiên liệu buồng đốt, cấp cho chu trình lượng nhiệt q¡ + 3-4 trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy ống tăng tốc +4-1 q trình thải sản phẩm cháy đẳng áp mơi trường, nhả lượng nhiệt q› Hiệu suất chu trình xác định: Net = (4-17) Ở công kỹ thuật trình giãn nở đoạn nhiệt 3-4 (bỏ qua cơng bơm q trình 1-2) 2.4 Chu trình nhà máy nhiệt điện a Chu trình các-nơ nước Chu trình Các - nơ thuận chiều chu trình có hiệu suất nhiệt cao Về mặt kỹ thuật, dùng khí thực phạm vi bão hịa có thé thực chu trình Các - nơ đạt hiệu suất nhiệt lớn phạm vi nhiệt độ Chu trình Các - nơ áp dụng cho khí thực vùng bão hịa biểu diễn hình 4.12 Tuy nhiên, khí thực nước việc thực chu trình Các -nơ khó khăn, lý sau đây: - Quá trình nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành nước (q trình 2-3) thực khơng hoàn toàn Muốn nén đoạn nhiệt 4m theo qua trình 3-4, cần phải có máy nén kích thước lớn tiêu hao công lớn - Nhiệt độ tới hạn nước thấp (374,15°C) nên độchênh nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh chu trình khơng lớn lắm, cơng chu trình nhỏ - Các giọt âm va đập vào cánh tua- bin gây tồn thất lượng ăn mòn màimịn nhanh cánh tua- bin 58 Hình 4.12 Đồ thị T-s chu trình Các -nơ nước b Chu trình Renkin (chu trình nhà máy điện) Như phân tích trên, có hiệu suất nhiệt cao chu trình Các - nơ có số nhược điểm áp dụng cho khí thực, nên thực tế người ta khơng 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 cơng Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý Hình 4.14 Đồ thị T-s Chu trình Renkin chu trình nhiệt áp dụng tất lọai nhà máy nhiệt điện, môi chất nước Tất thiết bị nhà máy nhiệt điện giống trừ thiết bị sinh I Trong thiết bị sinh hơi, nước nhận nhiệt để biến thành Đối với nhà máy nhiệt điện thiết bị sinh lị hơi, nước nhận nhiệt từ trình đốt cháy nhiên liệu Đối với nhà máy điện mặt trời địa nhiệt, nước nhận nhiệt từ lượng mặt trời từ nhiệt lòng đất Đối với nhà máy điện nguyên tử, thiết bị sinh thiết bị trao đổi nhiệt, nước nhận nhiệt từ chất tải nhiệt lò phản ứng hạt nhân Sơ đồ thiết bị chu trình Renkin trình bày hình 4.13 Đồ thị T-s chu trình biểu diễn hình 14 Nước ngưng bình ngưng IV (ở trạng thái 2" đồ thị) có thơng số Da ta, la, bơm V bơm vào thiết bị sinh I với áp suất Pi (qua trinh 2°-3) Trong thiết bị sinh hơi, nước ống sinh nhận nhiệt dang áp 59 đến sơi (q trình 3-4), hố (q trình 4-5) thành q nhiệt nhiệt II (quá trình 5-1) Quá trình 3-4-5-1 q trình hóa đẳng áp áp suất p¡ = const Hơi khỏi nhiệt II (ở trạng thái 1) có thơng số p¡, tị vào tuốc bin III, giãn nở đoạn nhiệt đến trạng thái (quá trình 1-2) sinh công tuốc bin Hơi khỏi tuốc bin có thơng số Po, to, di vào bình ng-ng IV, ngưng tụ thành nước (quá trình 2-2’), lại bơm V bơm trở lị Q trình nén đoạn nhiệt bơm xem q trình nén đẳng tích nước khơng chịu nén (thể tích thay đồi) e Chu trình hỗn hợp tua- bin khí - Chu trình hỗn hợp chu trình ghép, gồm chu trình Renkin nước chu trình Tua- bin khí Sơ đồ thiết bị đồ thị T-s chu trình thể hình 4.15 Hệ thống thiết bị bao gồm: thiết bị sinh I (buồng đốt); tua- bin nước 2; bình ngưng 3; bơm nước cấp 4; hâm nước 5; tua-bin khí máy nén khơng khí HE T r if N.L Ea Foti # |: {iii S5, 555% Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý đồ thi T-s | 5*5, § Nguyên lý làm việc chu trình thiết bị sau: Khơng khí nén đoạn nhiệt máy nén đến áp suất nhiệt độ cao, đưa vào buồng đốt I với nhiên liệu cháy buồng đốt áp suất cao, không đổi Sau nhả phần nhiệt cho nước dàn ống buông đốt 1, sản phẩm cháy vào tuốc bin khí 6, giãn nở sinh cơng Ra khỏi tuốc bin khí, sản phẩm cháy có nhiệt độ cịn cao, tiếp tục qua hâm nước 5, gia nhiệt cho nước thải Nước bơm bơm qua hâm nước 5, vào dàn ông buồng đốt Ở nước nhận nhiệt biến thành nhiệt Hơi nhiệt vào tuốc bin 2, giãn nở đoạn nhiệt sinh công Ra khỏi tuốc bin, vào bình ngưng nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành nước bơm bơm trở lị, lặp lại chu trình cũ Đồ thị T-s chu trình nhiệt biểu diễn hình 4.15 Nhiệt lượng nhiên liệu cháy tỏa trình b-e chia thành hai phần: 60 phần dùng để sản xuất nước thiết bị sinh 1, phần cấp cho tudc bin khí + a-b: qua trình nén đoạn nhiệt khơng khí máy nén khí 7; + b-c: q trình cấp nhiệt (cháy) đẳng áp bng đốt l; + c-d: q trình giãn nở đoạn nhiệt sinh cơng tuốc bin khí 6; + d-a: trình nhả nhiệt đẳng áp hâm nước §; + 3-I'-1”-l: q trình nước nhận nhiệt đẳng áp hâm buồng đốt 1; + 1-2; 2-2’; 2'-3 trình giãn nở đoạn nhiệt tuốc bin, ngưng đẳng áp bình ngưng, nén đoạn nhiệt bơm nh- chu trình Renkin Hiệu suất chu trình là: Net = (4-17) Trong do: ï: công tua-bin nước tua-bin khí, / = J, + i qi: nhiệt lượng nhiên liệu tỏa cháy buông đốt 2.5 Chu trình thiết bị làm lạnh (chạy Amoniac, Fréon) Chu trình thiết bị lạnh chạy chu trình ngược chiều, nhận nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp, nha nhiệt cho nguồn có nhiệt độ cao Mơi chất sử dụng làm thiết bị lạnh thực tế thường số chất lỏng có nhiệt độ sơi thấp áp suất bình thường, hệ số toả nhiệt lớn, rẻ tiền, không độc hai Tuỳ theo phương 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 (khơng có máy nén) a Chu trình thiết bị lạnh có máy nén Mơi chất thường dùng máy lạnh có máy nén Amoniac (NH;) hay Frêon Fl¿, F;; (có cơng thức: C„H,F¿CI,) Amônian thường dùng máy lạnh công nghiệp để sản xuất nước đá làm lạnh thực phẩm, nhiệt an hố lớn nên chế tạo với công suất lớn Frêon thường dùng máy lạnh gia đình tủ kem, tủ lạnh gia đình khơng địi hỏi cơng suất lớn, khơng mùi không độc hại Sơ đồ nguyên lý máy lạnh có máy nén thể hình 416 Hơi mơi chất trạng thái bảo hồ khơ từ buồng lạnh IV có áp suất p¡ máy nén hút vào nén đoạn nhiệt đến áp suất p› nhiệt độ t; Sau vào bình ngưng II khơng khí hay nước tiết lưu II, giảm áp am Hoi âm tiếp tục ngưng tụ đẳng áp áp suất pạ, làm mát Chất lỏng ngưng tụ từ suất từ p; xuống p¡ chuyển từ vào buồng lạnh IV nhận nhiệt nhả lượng nhiệt q¡ dàn ngưng II qua dạng lỏng sang dạng lương q; vật cần cho van làm 61 lạnh áp suất Pi = const biến thành hơibão hồ khơ chu trình lặp lại cũ Các trình máy lạnh dùng có máy nén biểu thị đồ thị hình 4-17 + 1-2 trình nén đoạn nhiệt máy nén, trình áp suất tăng từ p¡ đến p; + 2-3 trình ngưng tụ đẳng áp áp suất p; = const, nhả lượng nhiệt q¡cho khơng khí hay nước làm mát + 3-4 trình tiết lưu van tiết lưu, trình áp suất giảm từ paxuống p) + 4-1 trình bốc dàn bốc buồng lạnh, môi chất nhiệt lượng qs áp suất pị = const i a bay BR ` [0T NG Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý - Hệ số làm lạnh: = ~ Hình 4.17 Đồ thị T-s chu trình da lu đe 1 Vi qua trinh tiét luu iy = i;, dé: lqil-a2 Năng suất máy lạnh: „ Q=G4q; Công suât máy nén: N=G Ở đây: G lưu lượng mơi chất chu trình, kg/s Ôn (iz—ig)- J 30) (4-37) (4-38) b Bơm nhiệt Bơm nhiệt cịn gọi máy điều hồ hai chiều Bơm nhiệt có thé làm lạnh, hút ẩm sưởi ấm, dùng phơ biến miền Bắcnước ta Khi dùng với chức sưởi ấm, bơm nhiệt tiết kiệm điện nhiều so với dùng lò sưởi điện trở 62 Nguyên lý làm việc bơm nhiệt sau: Môi chất trạng thái bảo hồ khơ từ buồng lạnh IV máy nén hút vào nén đoạn nhiệt từ áp suất p¡ đếnáp suất p;, nhiệt độ t; Sau vào dàn ngưng II ngưng tụ đẳng áp suất pạ, nhả lượng nhiệt q¡ biến thàng lỏng Chất lỏng từ dàn ngưng qua van tiết ưu III, giảm áp suất từ p; xuống p¡ chuyền từ dạng lỏng dạng âm, vào dan bay để nhận nhiệt lương q; Nếu sử dụng lượng hữu ích từ dàn bay (dàn lạnh, bồ trí phịng) máy việc theo chế độ làm lạnh; Nếu áp II sang làm sử dụng lượng hữu ích từ dàn ngưng (dàn nóng, bồ trí phịng) máy làm việc theo chế độ sưởi ấm (bơm nhiệt) Trong thực tế dàn bó trí cố định, cần đổi chiều chuyền động cuả dịng mơi chất nhờ van đổi chiêu Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt thê hình 4-18 Chỉ cần thay đổi vai trị đóng, mở van, thiết bị làm lạnh sưởi ấm Thiết bị gồm máy nén C, hai dàn trao đổi nhiệt A B, hai dan thay làm dàn lạnh (dàn bốc hơi) dàn nóng (dàn ngưng tụ); van tiết lưu D van đóng mở từ 1-8 để thay đơi chức làm việc máy Mơi chất Frêon Amôniac Để xét nguyên lý vận hành thiết bị, ta coi đàn A đặt phòng + Máy làm việc với chức sưởi âm: Mở van 2, 4, 6, đóng van I, 3, 5, 7, môi chất từ máy nén C theo chiều C4A6D8B2C Môi chất máy nén hút vào nén đến áp suất nhiệt độ cao, qua van vào dàn ngưng A, nhả lượng nhiệt cho khơng khí phịng Bản thân mơi chất nhiệt, ngưng tụ di qua van van tiết lưu D, biến thành bảo hoà âm nhiệt độ áp suất thấp, qua van § vào dan bay hoi B để nhận nhiệt từ môi trường xung quanh, bốc hút máy nén, hoàn chỉnh chu trình ngược chiêu Hình 4.18 Sơ đồ máy lạnh-bơm nhiệt + 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 CIB7DSA3C Môi chất máy nén hút vào nén đến áp suất nhiệt độ cao, qua van vào đàn ngưng B, nhả lượng nhiệt cho môi trường xung quanh Bản thân môi chất mat nhiét, sé ngung tu, di qua van 7và van tiết lưu D, biến thành bảo hoà ẩm nhiệt độ áp suất thấp, qua van vào dàn bay A để nhận nhiệt từ khơng khí phòng, làm cho nhiệt độ phòng giảm xuống, môi chất bốc hut máy nén, hồn chỉnh chu trình ngược chiều đề làm mát phòng SO DO CAU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT DONG CUA DONG CO NHIET Mục tiêu: - Giải thích sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt - Nhận dạng cấu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt dùng Xe Ô tÔ - Tuân thủ quy định, quy phạm lĩnh vực nhiệt kỹ thuật 3.1 Sơ đồ cấu tạo động nhiệt a Sơ đồ cầu tạo động kỳ 64 Trục (trục khuỷyu) Thanh truyền (tay biên) Pítơng Xy lanh Đường hút Xupáp hút Bugi Xupáp xả Đường xả 10 Các-te (đáy máy) Hình 4.19 Sơ đồ cấu tạo động kỳ b Sơ đồ cầu tạo động kỳ Mặt máy Thân máy Cửa xả Chế hịa khí J: Bng trục Cửa thổi Piston Š Bugi Hình 4.20 Sơ đồ cấu tạo động kỳ 3.2 Nguyên lý hoạt động động nhiệt Do hạn chế thời gian nên sau ta nghiên cứu nguyên lý hoạt động chu trình làm việc động nhiệt kỳ xy lanh Để nghiên cứu nguyên lý hoạt động động nhiệt theo quan điểm nhiệt động kỹ thuật, phần xem xét môi chất động nhiệt trước hết nhiên liệu khơng khí Nhiên liệu ơxy khơng khí thực q trình cháy, sau sản phẩm cháy thực trình 65 nhiệt động để cuối thải sản phẩm cháy vào mơi trường Để thiết lập chu trình động nhiệt ta giả thiết: - Coi nhiên liệu, khơng khí, hỗn hợp nhiên liệu với khơng khí sản phẩm cháy đồng với đồng với chất khí lý tưởng hai nguyên tử (k =1) - Coi chu trình thuận nghịch, q trình giãn nở nén trình đoạn nhiệt thuận nghịch - Thay trình cháy trình cung cấp nhiệt trình thải sản phẩm cháy vào mơi trường q trình nhả nhiệt - Coi q trình nạp nhiên liệu khơng khí (hoặc ơxy) trình thải sản phẩm cháy triệt tiêu mặt cơng đề biến hệ hở thành hệ kín Do đó: Khi pít tơng từ điểm chết bắt đầu dịch chuyền xuống van nạp mở, van xả đóng (kỳ 1) Khi đó, hỗn hợp nhiên liệu khơng khí đưa vào xi lanh theo trình a-b-1 Khi pit tong quay lại từ điểm chết bat dau dịch chuyển lên van nạp van xả đóng nên hỗn hợp nhiên liệu khơng khí nén đoạn nhiệt thuận nghịch theo đường 1- (kỳ 2) Giả sử pít tơng đến điểm chết trạng thái hỗn hợp nhiên liệu khơng khí bắt đầu bốc cháy Quá trình cháy xảy đoạn đẳng tích 2-3' (vì pít tơng chưa kịp dịch chuyền xuống dưới) đoạn đăng áp 3'-3” (luc pit tong da kip dịch chuyển xuống dưới) Sản phẩm cháy trạng thái 3” có áp suất nhiệt độ cao tiếp tục giãn nở đến điểm chết theo đường đoạn nhiệt sinh cơng 3”-4 (kỳ 3) Khi pít tông đến điểm chết tương ứng với trạng thái van xả mở áp suất giảm đột ngột Khi pít tơng chưa kịp dịch chuyền lên nên xem trình giảm áp đột ngột sản phẩm cháy xảy theo q trình đẳng tích 4-1 Sau đó, pít tơng dịch chuyền từ điểm chết đưới lên điểm chết trên, van nạp đóng van xả mở sản phẩm cháy bị thải vào môi trường theo đường I-c-a (kỳ 4) Đến van xả đóng, van nạp mở pít tơng lại tiếp tục địch chuyên từ điểm chết xuống dưới, nhiên trình lại bắt đầu liệu khơng khí hút vào xi lanh chu Quá trình cháy xảy nhanh pít tơng chưa kịp dịch chuyển Khi tồn q trình cháy xảy q trình đăng tích 2-3' Ngược lại, q trình cháy xảy chậm pít tơng đủ thời gian đề dịch chuyền tồn trình cháy xảy điều kiện đẳng áp 2-3” 66 a b € Hình 4.21 Nguyên lý làm việc chu trình động đốt a Chu trình cấp nhiệt đăng tích; b Chu trình cấp nhiệt đẳng áp; e Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp Với giả thiết ta thấy trình hút nhiên liệu khơng khí a-b-1 va q trình thải sản phẩm cháy 1-c-a tự triệt tiêu mặt cơng Do đó, động đốt xem máy nhiệt làm việc với chu trình thuận từ trạng thái I qua trạng thái 2, 3°, 3”, khép kín trạng thai Trong đó: + Q trình 1-2 q trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch (mất cơng) + Q trình 2-3' q trình cấp nhiệt đăng tích q¡, (cháy đẳng tích) + Quá trình 3”-3” trình cấp nhiệt đăng áp qi„ (cháy đẳng áp) + Quá trình 3”-4 trình giãn nở đoạn nhiệt thuận nghịch (đây q trình sinh cơng) + Q trình 4-I q trình thải nhiệt lượng vào mơi trường q; (thải sản phẩm cháy) NOI DUNG, YEU CAU VE DANH GIA - Về kiến thức: + Khái niệm thông số nhiệt kỹ thuật + Khái niệm truyền nhiệt chuyên pha đơn chất + Các trình nhiệt động + Cấu tạo nguyên lý hoạt động động nhiệt - Về kỹ năng: + Nhận dạng tiết giải thích nguyên lý hoạt động động ô tô ... q trình giãn nở đoạn nhiệt 3-4 (bỏ qua công bơm trình 1 -2 ) 2. 4 Chu trình nhà máy nhiệt ? ?i? ??n a Chu trình các-nơ nước Chu trình Các - nơ thuận chiều chu trình có hiệu suất nhiệt cao Về mặt kỹ thuật, ... sinh nhận nhiệt dang áp 59 đến s? ?i (q trình 3-4 ), hố (q trình 4-5 ) thành nhiệt nhiệt II (quá trình 5-1 ) Quá trình 3-4 - 5-1 trình hóa đẳng áp áp suất p¡ = const H? ?i kh? ?i nhiệt II (ở trạng th? ?i 1) có... T-s Chu trình Renkin chu trình nhiệt áp dụng tất lọai nhà máy nhiệt ? ?i? ??n, m? ?i chất nước Tất thiết bị nhà máy nhiệt ? ?i? ??n giống trừ thiết bị sinh I Trong thiết bị sinh h? ?i, nước nhận nhiệt để biến