Chương 5. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ NHIỆT
Trang 1Chương 5 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ
THIẾT BỊ NHIỆT
I Các d ạng bài tập mẫu có lời giải
Bài 1 Chu trình thiết bị động lực hơi nước làm việc với các thông so như sau: áp suất hơi nước sau
khi ra khỏi lò hơi là 80bar, áp suất và độ khô của hơi nước sau khi ra khỏi tuabin lần lượt là 0,05bar
và 0,8 Bỏ qua công bơm, hãy xác định:
1 Entanpi tại các trạng thái 1, 2, 3 và nhiệt độ hơi trước khi vào tuabin, hiệu suất nhiệt của chu
trình
2 Lưu lượng nước giải nhiệt cho bình ngưng, biết độ chênh lệch nhiệt độ nước vào và ra là 6o
C Cho biết công suất của tuabin là 40MW
3 Biểu diễn chu trình trên đồ thị T – s
L ời giải
1 Entanpi tại các trạng thái 1, 2, 3 và nhiệt độ hơi trước khi vào tuabin, hiệu suất nhiệt
của chu trình
Trang 32 Lưu lượng nước giải nhiệt cho bình ngưng, biết độ chênh lệch nhiệt độ nước vào và ra
là 6oC Cho biết công suất của tuabin là 40MW
Bài 2 Khảo sát chu trình thiết bị động lực hơi nước như hình vẽ Biết: Nhiệt độ và áp suất của hơi
trước khi vào tuabin là t=500o
C và p=120bar, áp suất của hơi sau khi ra khỏi tuabin là p=0,045bar Lưu lượng hơi tuần hoàn là G=100tấn/giờ
a Hãy nêu chức năng của từng thiết bị trong chu trình và nguyên lý hoạt động của chu trình ?
b Giải thích tại sao trạng thái ra khỏi bình ngưng là trạng thái lỏng sôi?
c Tính hiệu suất nhiệt của chu trình (bỏ qua công bơm)
d Tính lưu lượng nước giải nhiệt cho bình ngưng nếu biết độ chênh lệch nhiệt độ nước vào và ra
Bài 3
Trang 6Bài 4
Trang 8Bài 5
Trang 9Bài 6
Trang 11Bài 7
Trang 13Bài 8
Trang 15Bài 9
Trang 16Bài 10
Trang 19Bài 11
Trang 20Bài 12
Trang 23Bài 13
Trang 25Bài 14
Trang 28Bài 15
Trang 32Bài 16
Trang 35
II Các bài t ập sinh viên tự làm
Bài 1 Một nhà máy điện vận hành theo chu trình Rankine lý tưởng ở giới hạn áp suất 3Mpa và
50kPa Nhiệt độ hơi vào tuabin là 300oC, lưu lượng hơi là 35(kg/s) Biểu diễn chu trình trên đồ thị
T-s? Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình và công suất đầu ra của nhà máy?
Bài 2 Cho nhà máy điện có công suất 210MW vận hành theo chu trình Rankine cơ bản Hơi vào
tuabin có áp suất 10Mpa, nhiệt độ 500o
C và áp suất làm lạnh trong bình ngưng là 10kPa Biểu diễn
chu trình trên đồ thị T-s? a Xác định độ khô của hơi thoát ra khỏi tuabin? b Xác định hiệu suất
nhiệt của chu trình? c Lưu lượng hơi vào tuabin?
Đáp số: a x=0,793; b 40,2%; c 165(kg/s)
Bài 3 Cho nhà máy điện có công suất 210MW vận hành theo chu trình Rankine cơ bản Hơi vào
tuabin có áp suất 10Mpa, nhiệt độ 500o
C và áp suất làm lạnh trong bình ngưng là 10kPa Biết hiệu
suất đoạn nhiệt của bơm và tua bin bằng 85% Biểu diễn chu trình trên đồ thị T-s? a Xác định độ
khô của hơi thoát ra khỏi tuabin? b Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình? c Lưu lượng hơi vào
tuabin?
Đáp số: a x=0,874; b 34,1%; c 194(kg/s)
Bài 4 Một nhà máy điện vận hành theo chu trình Rankine lý tưởng ở giới hạn áp suất 1250 và 2
psia Lưu lượng khối lượng hơi của chu trình bằng 75 lbm/s Độ ẩm của hơi ra khỏi tuabin không vượt quá 10% Biểu diễn chu trình trên đồ thị T-s? Xác định nhiệt độ nhỏ nhất của hơi vào tuabin? Xác định công suất nhiệt cấp tại lò hơi và hiệu suất nhiệt của chu trình?
Trang 36Bài 5 Một nhà máy điện vận hành theo chu trình Rankine lý tưởng ở giới hạn áp suất 1250 và 2
psia Lưu lượng khối lượng hơi của chu trình bằng 75 lbm/s Độ ẩm của hơi ra khỏi tuabin không vượt quá 10%, hiệu suất đoạn nhiệt của tuabin và bơm bằng 85% Biểu diễn chu trình trên đồ thị T-
s? Xác định nhiệt độ nhỏ nhất của hơi vào tuabin? Xác định công suất nhiệt cấp tại lò hơi và hiệu
suất nhiệt của chu trình?
Bài 6 Cho nhà máy điện ngưng hơi đốt than có công suất điện 300MW vận hành theo chu trình
Rankine lý tưởng Hơi vào tuabin có áp suất 5Mpa, nhiệt độ 450o
C và áp suất ngưng tụ trong bình ngưng là 25kPa Than có nhiệt trị bằng 29300 kJ/kg Giả thiết rằng 75% năng lượng này được
truyền cho hơi trong lò hơi và máy phát điện có hiệu suất bằng 96% a Xác định hiệu suất chung
của nhà máy? b Xác định lượng tiêu hao nhiên liệu?
Đáp số: a 24,5%; b 150(t/h)
Bài 7 Cho nhà máy điện ngưng hơi có công suất 45MW vận hành theo chu trình Rankine lý tưởng
Hơi vào tuabin có áp suất 7Mpa, nhiệt độ 500o
C và áp suất ngưng tụ trong bình ngưng là 10kPa
Nước làm mát được bơm từ hồ qua hệ thống trao đổi nhiệt bằng ống trong bình ngưng có lưu lượng
2000kg/s Biểu diễn chu trình trên đồ thị T-s? a Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình? b Xác định lưu lượng khối lượng hơi? c Lượng biến thiên nhiệt độ của nước làm mát?
Đáp số: a 38,9%; b 36(kg/s); c 8,4 o
C
Bài 8 Cho nhà máy điện ngưng hơi có công suất 45MW vận hành theo chu trình Rankine lý tưởng
Hơi vào tuabin có áp suất 7Mpa, nhiệt độ 500o
C và áp suất ngưng tụ trong bình ngưng là 10kPa Nước làm mát được bơm từ hồ qua hệ thống trao đổi nhiệt bằng ống trong bình ngưng có lưu lượng
2000kg/s Biết hiệu suất đoạn nhiệt của bơm và tuabin bằng 87% Biểu diễn chu trình trên đồ thị
T-s? a Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình? b Xác định lưu lượng khối lượng hơi? c Lượng
biến thiên nhiệt độ của nước làm mát?
Đáp số: a 33,8%; b 41,4(kg/s;c 10,5 o
C
Bài 9 Một nhà máy điện sử dụng nước hoạt động theo chu trình Rankine có quá nhiệt trung gian
Hơi vào tuabin cao áp có áp suất 12,5Mpa, nhiệt độ 550o
C và lưu lượng hơi bằng 7,7(kg/s); thoát ra
ở áp suất 2Mpa Hơi sau đó được đi qua bộ quá nhiệt trung gian cấp nhiệt trong điều kiện đẳng áp đến nhiệt độ 450oC trước khi giãn nở trong phần tuabin hạ áp Biết hiệu suất đoạn nhiệt của bơm và
tuabin lần lượt bằng 90% và 85% Hơi ra khỏi bình ngưng là lỏng bão hoà Độ ẩm của hơi ra khỏi
tuabin bằng 5%.a Xác định áp suất bình ngưng? b Xác định công suất đầu ra của chu trình? c Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình?
Đáp số: a 9,73kPa; b 10,2MW; c 36,9%
Bài 10 Chu trình thiết bị động lực hơi nước làm việc với các thông số như sau: p1=100bar;
p2=0,05bar; x2=0,8 Năng suất lò hơi là G=150tấn/h Bỏ qua công bơm, hãy xác định:
a Nhiệt độ của hơi trước khi vào tua bin?
b Hiệu suất nhiệt của chu trình?
c Lưu lượng nước giải nhiệt cho bình ngưng Biết độ chênh nhiệt độ nước vào và ra bình ngưng là
5oC và hiệu suất của bình ngưng là 85%
d Biểu diễn chu trình trên 3 đồ thị P-v, T-s và i-s
Trang 37Bài 11 Cho chu trình Rankine lý tưởng có hơi vào tuabin là hơi bão hòa ở áp suất 8,0MPa và lỏng
bão hòa thoát khỏi bình ngưng có áp suất 0,008Mpa Công suất của chu trình là 100MW Xác định
hiệu suất nhiệt của chu trình? Xác định công của bơm cấp? Xác định lưu lượng hơi? Xác định lượng nhiệt cấp cho lò hơi? Xác định lượng nhiệt ngưng ở bình ngưng? Xác định lưu lượng nước
làm mát? Biết nước làm mát đi vào bình ngưng có nhiệt độ 15oC và đi ra có nhiệt độ 35o
C
Bài 12 Cho chu trình Rankine như bài 11 nhưng trong quá trình bơm qua bơm cấp và giãn nở
trong tuabin của hiệu suất đoạn nhiệt bằng 85% Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình? Xác định
công của bơm cấp? Xác định lưu lượng hơi? Xác định lượng nhiệt cấp cho lò hơi? Xác định lượng nhiệt ngưng ở bình ngưng? Xác định lưu lượng nước làm mát? Biết nước làm mát đi vào
bình ngưng có nhiệt độ 15oC và đi ra có nhiệt độ 35o
C
Bài 13 Cho chu trình Rankine lý tưởng có hơi vào tuabin là hơi quá nhiệt và có quá nhiệt trung
gian Áp suất vào phần thứ nhất của tuabin 8,0MPa, nhiệt độ 480o
C và giãn nở đến áp suất 0,7MPa Sau đó được gia nhiệt đến nhiệt độ 440oC trước khi đi vào phần thứ hai của tuabin sau đó giãn nở đến áp suất bình ngưng 0,008MPa Công suất của chu trình là 100MW Xác định hiệu suất nhiệt
của chu trình? Xác định lưu lượng hơi? Xác định lượng nhiệt cấp cho lò hơi? Xác định lượng
nhiệt ngưng ở bình ngưng? Nhận xét ảnh hưởng của quá nhiệt trung gian đến chu trình?
Trang 38Bài 14 Cho chu trình Rankine lý tưởng có gia nhiệt hồi nhiệt nước cấp kiểu hỗn hợp Hơi vào
tuabin có áp suất 8,0MPa, nhiệt độ 480o
C và giãn nở đến áp suất 0,7MPa Tại đây, hơi được trích
và gia nhiệt cho bộ gia nhiệt hồi nhiệt nước cấp kiểu hỗn hợp ở áp suất 0,7 MPa Hơi nước còn lại
giãn nở qua phần tuabin thứ hai đến áp suất bình ngưng của 0,008 MPa Lỏng bão hòa ra khỏi bộ
gia nhiệt nước cấp ở áp suất 0,7 MPa Quá trình bơm qua bơm cấp và giãn nở trong tuabin của hiệu
suất đoạn nhiệt bằng 85% Công suất của chu trình là 100MW Xác định hiệu suất nhiệt của chu
trình? Xác định lưu lượng hơi đi qua tua bin?
Trang 39Bài 15 Xét một chu trình Rankine có gia nhiệt hồi nhiệt nước cấp bao gồm bộ gia nhiệt hồi nhiệt
kiểu hỗn hợp và bộ gia nhiệt hồi nhiệt kiểu bề mặt Hơi vào tuabin có áp suất 8,0MPa, nhiệt độ
480oC giãn nở đến áp suất 0,7MPa Sau đó, hơi được đưa qua bộ quá nhiệt trung gian gia nhiệt tới
nhiệt độ 440o
C trước khi vào phần tuabin thứ hai Tại đây, hơi nước tiếp tục được giãn nở đến áp
suất bình ngưng 0,008 MPa Hơi nước được trích từ phần tuabin thứ nhất có áp suất 2 MPa và gia
nhiệt cho bộ gia nhiệt kiểu bề mặt Nước cấp ra khỏi bộ gia nhiệt kiểu bề mặt có nhiệt độ bằng
205oC và áp suất 8,0 MPa và hơi nước sau khi gia nhiệt ngưng tụ thành dạng lỏng bão hoà ở áp
suất 2 MPa Nước ngưng được đưa hồi trở lại bộ ra nhiệt kiểu hỗn hợp bởi van một chiều Hơi nước trích từ phần tuabin thứ hai ở áp suất 0,3MPa được gia nhiệt cho bộ gia nhiệt hỗn hợp cũng
hoạt động ở áp suất 0,3 MPa Nước ra khỏi bộ gia nhiệt kiểu hỗn hợp ở trạng thái lỏng bão hòa áp
suất 0,3 MPa Công suất của Tuabin là 100 MW Bỏ qua tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường Nếu
môi chất làm việc khi đi qua các tuabin, bơm cấp, lò hơi, bộ quá nhiệt trung gian, và bình ngưng là
các quá trình thuận nghịch Hãy xác định (a) hiệu suất nhiệt, (b) lưu lượng hơi nước vào phần
tuabin đầu tiên, theo kg/h
Trang 40Bài 16 Cho chu trình Rankine lý tưởng có gia nhiệt hồi nhiệt nước cấp Hơi vào tuabin có áp suất
6MPa, nhiệt độ 450oC và ngưng tụ trong bình ngưng ở áp suất 20kPa Hơi trích từ tuabin áp suất 0,4Mpa để gia nhiệt cho bộ gia nhiệt kiểu hỗn hợp Nước ra khỏi bộ gia nhiệt ở trạng thái lỏng bão
hoà Biểu diễn chu trình trên đồ thị T-s? Hãy xác định (a) Công của chu trình? (b) Hiệu suất nhiệt
của chu trình?
Đáp số: a 1017(kJ/kg); b 37,8%
Câu 17 Cho chu trình Rankine có hồi nhiệt nước cấp mô tả như hình vẽ sau:
Các thông số tại các trạng thái:
Các thông số trạng thái p(Mpa) t(oC) i (kJ/kg) v (m3/kg) s(kJ/kgK)
Trang 41- Xác định tỉ lệ hơi trích gia nhiệt nước cấp?
- Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình?
Bài 18 Cho chu trình nhà máy điện kết hợp tuabin khí-hơi Không khí qua máy nén có tỷ số tăng
áp bằng 16 Không khí vào máy nén có nhiệt độ 300K và lưu lượng 14(kg/s) được gia nhiệt trong
buồng đốt đến nhiệt độ 1500K Khí cháy rời khỏi tuabin khí được gia nhiệt cho hơi trong bộ trao đổi nhiệt đến nhiệt độ 400o
C và áp suất 10Mpa Khí cháy ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệt độ 420K Hơi ra khỏi tuabin hơi ngưng tụ ở áp suất 15kPa Giả sử rằng tất cả quá trình nén và giãn nở đều là đoạn nhiệt Xác định: a Lưu lượng khối lượng hơi? b Công suất của chu trình? c Hiệu
suất của chu trình kết hợp?
Đáp số: a 1,275(kg/s); b.7819 kW ; c 66,4%
Bài 19 Một chu trình nhà máy điện kết hợp tua bin khí-hơi có công suất là 45 MW Không khí đi
vào máy nén của tua bin khí ở 100 kPa, 300K, và được nén đến 1200 kPa Hiệu suất đoạn nhiệt của
máy nén là 84% Các điều kiện ở đầu vào tuabin là 1200 kPa, 1400K Khí giãn nở qua tua bin khí
có hiệu suất đoạn nhiệt 88%, áp suất 100 kPa Sản phẩm khí sau đó đi qua thiết bị hâm nước của
chu trình Rankine và gia nhiệt cho nước cấp và nhiệt độ khi thoát ra ở 400 K Thông số hơi vào
tuabin có áp suất và nhiệt độ 8 MPa, 400o
C, và giãn nở đến áp suất ngưng tụ bằng 8 kPa Nước ngưng vào bơm cấp là lỏng bão hòa có áp suất 8 kPa Hiệu suất đoạn nhiệt của tuabin và bơm cấp
lần lượt bằng 90 và 80% Xác định lưu lượng khối lượng của không khí Gkvà lưu lượng hơi Gh?
Hiệu suất nhiệt của chu trình?
Bài 20 Cho chu trình nhà máy điện kết hợp tuabin khí hơi Phía trên là chu trình tuabin khí
Brayton có tỷ số tăng áp trong quá trình nén bằng 7 Không khí vào máy nén có nhiệt độ 15o
C và
lưu lượng 10(kg/s) và nhiệt độ vào tuabin khí bằng 950o
C Phía dưới là một chu trình Rankine có
quá nhiệt trung gian hoạt động trong giới hạn áp suất 6Mpa và 10kPa Hơi được gia nhiệt bằng khí
thoát của tuabin khí trong bộ trao đổi nhiệt có lưu lượng bằng 1,15(kg/s) Khí thoát ra khỏi bộ trao đổi nhiệt có nhiệt độ 200oC, hơi ra khỏi tuabin cao áp có áp suất 1Mpa và gia nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt đến 400oC trước khi giãn nở trong phần tuabin hạ áp Hiệu suất đoạn nhiệt của tuabin và bơm cấp bằng 80% Xác định: a Độ ẩm của hơi thoát ra khỏi tuabin hạ áp? b Nhiệt độ của hơi khi
vào tuabin cao áp? Công suất đầu ra và hiệu suất nhiệt của chu trình kết hợp?
Trang 42Bài 21 Cho chu trình làm lạnh khô, môi chất
sử dụng cho chu trình là R134a vận hành theo
chu trình làm lạnh lý tưởng giữa áp suất
0,14Mpa và 0,8Mpa Biết lưu lượng khối
Cho chu trình làm lạnh quá lạnh-quá nhiệt,
môi chất sử dụng cho chu trình là R134a áp
suất bay hơi bằng 0,14Mpa, nhiệt độ hơi quá nhiệt vào máy nén -10o
C, áp suất ra khỏi máy nén
0,8Mpa và nhiệt độ 50o
C Môi chất lạnh bị làm lạnh trong bộ quá lạnh ở áp suất 0,72Mpa, nhiệt độ
26oC và tiết lưu xuống áp suất 0,15Mpa Biết lưu lượng khối lượng môi chất lạnh là 0,05(kg/s) Xác định:
a Năng suất lạnh nhận được trong không gian cần làm lạnh?
b Công suất cấp cho máy nén?
c Hiệu suất đoạn nhiệt của máy nén?
d Hệ số làm lạnh?
Đáp số:
a 7,93kW; b.2,02kW; c 93,9%; d.3,93