7.5.5.Chu trình hồi nhiệt

7.5.Chu trình thiết bị động lực hơi nước

7.5.5.Chu trình hồi nhiệt

Hơi từ lò hơi a sau khi qua bộ quá nhiệt b có thông số trạng thái t1, p1,với thông số này hơi quá nhiệt được đưa vào giãn nở sinh công trong những tầng đầu của turbine, ứng với quá trình 1-2’. Kế đó hơi được đưa vào bộ quá nhiệt trung gian để thực hiện quá trình cấp nhiệt 2’-1’, sau đó cho giãn nở một lần nữatrên các tầng còn lại của turbine cho đến áp suất ngưng p2.

Vậy công sinh ra của chu trình lúc này sẽ là: l = (i1 – i2’) + (i1’ – i2) Nhiệt cấp cho chu trình:

q1 = (i1 – i3 + (i1’ – i2’) Vậy hiệu suất nhiệt của chu trình:

    1' 2' 3 1 2 ' 1 ' 2 1 1 (i i ) i i i i i i q l t          (7-21)

Nếu gọi d là suất tiêu hao hơi thì:

d = (1 2') 1' 2 1 1 i i i i l     (kg/kJ) (7-22) Khitính cho 1kW  l d 3600 (kg/kW) (7-23)

Lượng hơi tiêu thụ cho nhà máy sẽ là

d N

D  (kg) (7.24)

Trong đó: N: công suất của nhà máy (kWh)

7.5.5.Chu trình hồi nhiệt

Nguyên tắc cơ bản của chu trình hồi nhiệt là thay vì nhiệt thải ra môi trường người ta tận dụng nhiệt này để nung nóng nước trước khi đưa vào lò hơi, nhờ vậy làm cho hiệu suất nhiệt của chu trìnhsẽ tăng lên.

Trong thực tế người ta lần lượt trích từng phần hơi ở các tầng của turbine để cấp nhiệt cho nước trước khi bơm vào lò hơi.

Ta có sơ đồ nguyên lý của chu trình hồi nhiệt có một và nhiều cửa trích thực hiện quá trình trao đổi nhiệt trực tiếp và gián tiếp như sau:

7.5.5.1. Chu trình hồi nhiệt có một cửa trích trao đổi nhiệt trực tiếp a. Sơ đồ

Hình 7.29:Sơ đồ chu trình hồi nhiệt có một cửa trích trao đổi nhiệt trực tiếp [1]

Nguyên lý làm việc

Với 1 kg hơi quá nhiệt ra khỏi lò hơi ở trạng thái 1, cho giãn nở sinh công trong các tầng đầu của turbine (quá trình 1-2), tại đây người ta trích một lượng hơi là y kg để gia nhiệt cho nước cấp. Lượng hơi còn lại (1-y) kg tiếp tục cho giãn nở sinh công trong các tầng cuối của turbine, sau đó hơi bão hòa được đưa vào bình ngưng để thực hiện quá trình ngưng hơi hoàn toàn (quá trình 3-4). Bơm nước cấp 2 sẽ đưa lượng nước ngưng vào bộ trao đổi nhiệt trực tiếp để thực hiện quá trình gia nhiệt cho nước, sau đó nước được bơm 1 cấp vào lò hơi.

b. Đồ thị

Hình 7.30:Đồ thị T-s chu trình quá nhiệt trung gian [1]

c. Các quá trình

1-2:Quá trình giãn nở đoạn nhiệt sinh công, ở tầng đầu turbine. 2-3:Quá trình giãn nở đoạn nhiệt sinh công, ở tầng cuối turbine 3-4: Quá trình ngưng hơi.

4-5: Quá trình bơm nước vào bộ gia nhiệt.

5-6: Quá trình nước được gia nhiệt ở bộ gia nhiệt. 6-7: Quá trình nén nước vào lò hơi.

7-8-9: Quá trình cấp nhiệt đẳng áp ở lò hơi. 9-1: Quá trình cấp nhiệt đẳng áp ở bộ quá nhiệt.

7.5.5.2. Chu trình hồi nhiệt có hai cửa trích trao đổi nhiệt trực tiếp a. Sơ đồ

Hình 7.31: Sơ đồ chu trình hồi nhiệt có hai cửa trích hơi a.Lò hơi e.Bơm nước cấp

b.Bộ quá nhiệt f1, f2.Bộ gianhiệt c.Turbine g.Bơm nước ngưng d.Bình ngưng

b. Đồ thị

Hình 7.32: Đồ thị T-s và i-s của chu trình hồi nhiệt có hai cửa trích

Từ sơ đồ ta thấy turbine có hai cửa trích hơi để gia nhiệt cho nước cấp. Giả sử ta có 1 kg nước từ trạng thái 3’’’ được đưa vào lò hơi để cấp nhiệt ứng với quá trình 3’’’.4.5, sau đó hơi tiếp tục đưa vào bộ quá nhiệt b để biến thành hơi quá nhiệt ứng với trạng thái 1 (t1, p1). Hơi quá nhiệt cho giãn nở trong các tầng cao áp của turbine, quá trình 1-2a, cuối tầng cao áp người ta trích một lượng hơi g1 kg để gia nhiệt cho nước ở bộ gia nhiệt f1.

Lượng hơi còn lại (1 – g1) kg có enthalpy i’ tiếp tục cho giãn nở trong các tầng trung áp của turbine, quá trình 2a-2b. Cuối tầng trung áp turbine cũng được trích g2 kg hơi để gia nhiệt cho nước ở bộ gia nhiệt f2.

Lượng hơi còn lại (1 – g1 – g2) kg có enthanpy i’’ tiếp tục cho giãn nở trên tầng hạ áp của turbine, quá trình2b-2và sau đó đưa vào bình ngưng d ứng với quá trình 2-3.

Để xác định g1 và g2, ta dựa vào sự cân bằng nhiệt ở các bộ gia nhiệt f1 và f2.

Ở bộ gia nhiệt f2, nhiệt lượng do g2 kg hơi trích thải ra trong quá trình ngưng tụ phải bằng với lượng nhiệt dùng để gia nhiệt cho (1 – g1 – g2) kg nước ngưng đi từ trạng thái 3’ trở thành hơi bão hòa ở trạng thái 2b’.

Đối với bộ gia nhiệt f1, ta cũng có nhiệt lượng do g1 kg hơi trích thải ra trong quá trình ngưng tụ cũng sẽ vừa đủ để gia nhiệt cho (1 – g1) kgnước từ trạng thái 3’’ thành nước bão hòa ở trạng thái 2a’.

 g1i2a i2a'  1g1  i2a'i3'' Từ đó ta suy ra '' 3 2 '' 3 ' 2 1 i i i i g a a    (7-25) ' 3 2 ' 3 ' 2 2 i i i i g b b    (7-26)

c. Hiệu suất nhiệt

q l

t 



Ta có công sinh ra của turbine ở các tầng sẽ là: Tầng cao áp: lca= i1 – i’

Tầng trung áp: ltra = (1 – g1) (i’- i’’) Tầng hạ áp: ltha = (1 – g1 – g2) (i’’ – i2) Vậy công của chu trình:

l = (i1 – i’) + (1 – g1) (i’- i’’) + (1 – g1 – g2) (i’’ – i2) (a)

Đặt: g =1 – g1 – g2

 g2 =1 – g1 – g

(a)  l =i1 – i’ + i’- i’’- g1.i’ + g1.i’’ + g.i’’ – g.i2  l =i1- i’’(1 – g1 – g) - g1.i’ – g.i2

 l =i1 –i’’.g2 - g1.i’ – g.i2

Nhiệt lượng cung cấp cho thiết bị tính gần đúng, khi công của bơm nước nhỏ có thể bỏ qua.

q1 = i1 – i2a’ Vậy hiệu suất nhiệt của chu trình sẽ là:

' 2 1 2 1 2 1 ''. ' . a t i i g i g i g i i       (7-27)

Đối với chu trình này có những ưu điểmsau: -Hiệu suất nhiệt đựơc nâng cao.

-Kích thước turbine và bình ngưng giảm. -Lò hơi nhỏ và gọn.

7.5.5.3. Chu trình hồi nhiệt kết hợp quá nhiệt trung gian, trao đổi nhiệt trực tiếp và gián tiếp

a. Sơ đồ

Hình 7.33: Sơ đồ nguyên lý chu trình hồi nhiệt, kết hợp quá nhiệt trung gian [1]

b. Đồ thị

Hình 7.34: Đồ thị T-s chu trình hồi nhiệt, kết hợp quá nhiệt trung gian [1]

Nguyên lý làm việc của chu trình này là sự kết hợp của các chu trình trên, hiệu suất nhiệt của chu trình tăng lên rất cao.

7.5.6.Chu trình ghép

Do nhiệt độ tới hạn của nước thấp (tk = 374 oC), nên tmax của chu trình bị giới hạn, dẫn đến hiệu suất nhiệt của chu trình cũng giới hạn.

Để nâng cao hiệu suất nhiệt trong trường hợp này ta sử dụng chu trình ghép, và nhờ đến hai môi chất có nhiệt độ tới hạn chênh lệch nhau khá lớn. Như các cặp môi chất H2O – NH3 hoặc Hg – H2O. Đối với thủy ngân nhiệt độ tới hạn vào khoảng 1480oC.

a. Sơ đồ

Hình 7.35:Sơ đồ chu trình ghép (Hg – H2O)

a.Lò hơi e.Bộ quá nhiệt của H2O b.Turbine hơi Hg f.Turbine hơi H2O c.Bộ trao đổi nhiệt Hg – H2O g.Bình ngưng của H2O d.Bơm Hg h.Bơm nước cấp

b. Đồ thị

Nguyên lý làm việc như sau

Hơi Hg từ lò hơi a được đưa vào giãn nở sinh công trong turbine b (quá trình 8-9), sau đó qua bộ trao đổi nhiệt c đểnhả nhiệt cho nước (quá trình 9-6), Hg hóa lỏng rồi được bơm d đưa vào lò hơi (6-7-8).

Đối với chu trình H2O. Nước sẽ nhận nhiệt của Hg nhả ra ở bộ trao đổi nhiệt c (ứng với quá trình 3-4-5), kế đó hơi nước được đưa vào bộ quá nhiệt e để biến thành hơi quá nhiệt (quá trình 5-1). Sau đó cho giãn nở trên turbine f để sinh công (quá trình 1-2) và ngưng tụ, rồi trở về bơm h.

Trong thực tế thủy ngân làm việc ở áp suất và nhiệt độ như sau: Trong phạm vi áp suất từ (10 15) bar, nhiệt độ bão hòa tương ứng vào khoảng(517577) oC, còn đối với áp suất thấp (0,04 0,14) bar, thì nhiệt độ bão hòa sẽ là (227247) oC. Còn đối với chu trình nước áp suất làm việc từ (25 30) bar, nhiệt độ bão hòa trong khoảng (217237) oC.

Do ẩn nhiệt của Hg và H2O khác nhau, nên nếu ta cần để 1 kg hơi nước đạt đến trạng thái bão hòa, thì phải dùng đến khoảng 8,95 kg Hg.

T T n i i i i m 6 9 3 '' 5    , (kg Hg/kg H2O)

Ở đây m là khối lượng của thủy ngân cần thiết để biến 1 kg hơi nước đạt đến trạng thái hơi bão hòa, thực tế người ta thường lấy m = 9.

Hiệu suất của chu trình ghép sẽ là:

    T T n n n n T T t i i i i m i i i i m Q L 5 1 6 8 2 1 9 8 1          (7-28)

Hiệu suất của chu trình này thường đạt:t 66 %

7.5.7.Chu trình cấp nhiệt – cấp điện

Các chu trình động lực hơi nước trước đây, quá trình nhả nhiệt q2 ở bình ngưng được thải bỏ ra môi trường. Để nâng cao hiệu quả kinh tế về mặt sử dụng nhiệt của chu trình, quá trình nhả nhiệt q2 được cấp cho các hộ dùng nhiệt, để tiện cho việc sử dụng nhiệt thải áp suất cuối của turbine loại này thường ở trong khoảng (2  5)bar. Chu trình như vậy được gọi là chu trình cấp nhiệt cấp điện.

a. Sơ đồ

Hình 7.37:Sơ đồ nguyên lý chu trình cấp nhiệt – cấp điện a.Lò hơi d.Máy phát điện b.Bộ quá nhiệt e.Hộ dùng nhiệt c.Turbine f.Bơm nước cấp

b. Đồ thị

Để đánh giá hiệu quả kinh tế của chu trình, ta đưa ra hệ số sử dụng nhiệt k. 1 2 q q l k   (7-29) Trong đó:

l: Công của chu trình, (J/kg)

q1: Nhiệt cấp cho chu trình, (J/kg) q2: Nhiệt cấp cho hộ tiêu dùng, (J/kg)

CÂU HỎI CHƢƠNG VII

1)Xác định các thành phần nhiệt nhận, nhiệt nhả, công cũng như hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích.

2)Xác định các thành phần nhiệt nhận, nhiệt nhả, công cũng như hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp.

3)Xác định các thành phần nhiệt nhận, nhiệt nhả, công cũng như hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp.

4)So sánh hiệu suất nhiệt của ba chu trình trên khi có cùng tỷ số nén và nhiệt nhả.

5)So sánh hiệu suất nhiệt của ba chu trình trên khi có cùng quá trình giãn nở đoạn nhiệt và nhiệt nhả.

6)Trình bày sơ đồ nguyên lý, đồ thị chu trình lý thuyết turbine khí cấp nhiệt đẳng áp.

7)Xác định nhiệt nhận, nhiệt nhả và hiệu suất nhiệt của chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng áp.

8)Trình bày sơ đồ nguyên lý, đồ thị chu trình lý thuyết turbine khí cấp nhiệt đẳng tích.

9)Xác định nhiệt nhận, nhiệt nhả và hiệu suất nhiệt của chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng tích.

10)Biểu diễn chu trình Carnot khí thực lên đồ thị p – v và T – s. 11)Trình bày sơ đồ nguyên lý, đồ thị và xác định hiệu suất nhiệt của chu trình Rankine.

12)Nêu những biện pháp nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình khí thực.

13)Trình bày sơ đồ nguyên lý, đồ thị và xác định hiệu suất nhiệt của chu trình quá nhiệt trung gian.

14)Trình bày sơ đồ nguyên lý, đồ thị và xác định hiệu suất nhiệt của chu trình hồi nhiệt.

BÀI TẬP CHƢƠNG VII

1)Chu trình động cơ đốt trong kiểu piston cấp nhiệt đẳng tích, có các thông số trạng thái cho trước:p1 =1 bar, t1= 27 0C, tỷ số nén  =4, tỷ số tăng áp = 3.

Hãy xác định:

a) Các thông số còn lại tại các điểm nút của chu trình. b) Nhiệt nhận và nhả.