Nghiên cứu tính toán và thiết kế phần sơ cấp hệ thống trao đổi nhiệt hai vòng tuần hoàn

[Do an] Nghien cuu tinh toan va thiet ke phan so cap he thong trao doi nhiet hai vong tuan hoan

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy Trịnh Hữu Toản, thầy đã trực tiếp hướng dẫn em, chỉ bảo tận tình cho em để em có thể thực hiện tốt đồ án này

Qua thời gian được học tập và rèn luyện tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

em đã được các thầy các cô truyền đạt cho những kiến thức vô cùng quý báu cả về lý thuyết và thực nghiệm, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong viện

Kỹ Thuật Hạt Nhân và Vật Lý Môi Trường, người luôn tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian được học tập và rèn luyện tại trường

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THỦY NHIỆT LÒ PWR 6

1.1.Giới thiệu tổng quát 6

1.2.Chu trình năng lượng 6

1.3.Vòng sơ cấp 9

1.5.Thanh nhiên liệu 12

CHƯƠNG II: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG 14

2.1 Nguyên lý nhiệt động thứ nhất 14

2.2 Nguyên lý hai áp dụng cho thể tích xác định (Control Volume) 18

2.3 Nguyên lý nhiệt động thứ 2 22

2.3.1 Hai phát biểu trong nguyên lý nhiệt động 2 : 22

2.3.2 Chu trình Các nô 23

2.3.3 Định nghĩa entrôpy 27

2.4 Nguyên lý nhiệt động thứ 2 áp dụng cho thể tích xác định ……… 30

2.5.Thuận nghịch và bất thuận ngịch 32

2.5.1 Công thuận nghịch 32

2.5.2 Đại lượng bất thuận nghịch (Công mất – Lost work): 36

CHƯƠNG III PHÂN TÍCH THỦY NHIỆT ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH PWR ĐƠN GIẢN VÀ LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHẦN SƠ CẤP CỦA THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 38

3.1 Phân tích nhiệt động lực học của hệ thống PWR đơn giản 38

3.1.1 Nguyên lý 1 phân tích cho nhà máy điện hạt nhân đơn giản: 38

3.1.2 Hiệu suất tổng thể nhà máy điện hạt nhân 41

3.2 Lựa chọn các thiết bị phần sơ cấp của thiết bị thí nghiệm 48

3.3 Lựa chọn các thiết bị thành phần chủ yếu 50

3.3.1 Thùng lò 50

3.3.2 Bình điều áp 50

3.3.3 Đường ống 52

3.3.4 Bơm 52

3.3.5 Bộ gia nhiệt (heater) 52

CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SƠ CẤP 53

4.1 Các thông số nhiệt độ, áp suất và công suất của thiết bị: 53

4.2 Tính toán thiết kế bề dày thùng lò chịu áp suất dư và tính bề dày đường ống: 55

4.2.1 Thùng lò 55

4.2.2 Hệ thống van an toàn (safety valves) 59

4.2.3 Đường ống: 59

4.2.4 Ống Bend (ống cong 1 góc) 62

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 67

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thuộc tính cơ bản của một số lò phản ứng: 8

Bảng 1.2 Thông số cụ thể của một lò PWR công suất 1160 MWe [1] 11

Bảng 3.1 Thông số của bài toán 42

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ lò PWR hai vòng tuần hoàn [1] 7

Hình 1.2 Bố trí hệ thống cho lò PWR [3] 9

Hình 1.3 Tâm lò phản ứng PWR 10

Hình 1.4 Đặc điểm của thanh nhiên liệu trong lò phản ứng nước nhẹ [3] 12

Hình 1.5 Bó nhiên liệu tiêu biểu cho lò phản ứng nước nhẹ.[3] 13

Hình 2.1 Áp suât cân bằng trong suốt quá trình [3] 16

Hình 2.2 Thể tích xác định và các dòng chảy [3] 18

Hình 2.3 Thí dụ về một động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Cacnô [3] 23

Hình 2.4 Chu trình Cácnô……… 25

Hình 2.5 Hai chu trình thuận nghịch chứng minh một thực tế đó là entropy là trạng thái của một chất.[3] 27

Hình 2.6 Sơ đồ thể tích xác định được phân tích theo nguyên lý nhiệt động thứ 2 [3] 30

Hình 2.7 USUF [3] 33

Hình 2.8 Quá trình thuận nghịch thay đổi tương tự hình 2.7 [3] 33

Hình 3.1 Các thành phần của hệ thống PWR cho ví dụ áp dụng nguyên lý 1 [3] 39

Hình 3.2 Phân bố nhiệt độ vùng trao đổi nhiệt lò PWR [3] 40

Hình 3.3 Thí dụ thủy nhiệt trong một lò PWR đơn giản [3] 42

Hình 3.4 Đồ thị T – S cho chu trình trong lò PWR [3 43

Hình 3.5 Từng thành phần trong nhà máy điện [3] 47

Hình 3.6 Hệ thống lò phản ứng PWR đơn giản [3] 48

Hình 3.7 Bình điều áp 51

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 53

Hình 4.2a Thùng chịu áp lực theo phương bán kính 56

Hình 4.2b Thùng chịu áplực theo phương đứng 56

Hình 4.3 Thùng lò thiết bị thí nghiệm 58

Hình 4.4 Mô tả đường ống 59

Hình 4.5 Đoạn ống cong 62

Hình 4.6 Đồ thị biểu thị sự thay đổi của k 1 theo R o /d và k 2 theo góc 63

Hình 4.7 Ứng suất lớn nhất trong ống 63

Hình 4.8 Dòng chảy rẽ nhánh 67

Hình 4.9 K f là hàm của r/d 67

Hình 4.10 Ống có đường kính tăng dần 68

Hình 4.11 K f phụ thuộc vào beta 68

Hình 4.12 Ống đường kính thu hẹp dần 68

Hình 4.13 K f phụ thuộc vào beta 69

Hình 4.14 Ứng lực lên ống thay đổi hình học 69

Hình 4.15 Dòng chảy va chạm trong ống 69

Hình 4.16 Ứng lực trong ống dòng chảy va chạm 70

Hình 4.17 Dòng chảy tách trong ống 70

Hình 4.18 Ứng lực trong ống dòng chảy tách 71

Hình 4.19 Ống có dòng chảy va chạm tạo với nhau góc bất kỳ 71

Hình 4.20 Ống có dòng chảy tách ra với góc bất kỳ 72

MỞ ĐẦU

Đến năm 2014 Việt Nam sẽ xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu tiên tại NinhThuận để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho phát triển nền kinh tế Vì vậy việc đào tạonguồn nhân lực để sẵn sàng nắm bắt chuyển giao công nghệ về nhiều khía cạnh liênquan đến nhà máy điện hạt nhân là rất quan trọng và cần thiết Đặc biệt là đội ngũ kỹ

sư hạt nhân am hiểu về thiết kế và tính toán vật lý lò, tính toán nhiên liệu, tính toán antoàn, thủy nhiệt và động học lò phản ứng…

Một trong những yếu tố cốt lõi trong thiết kế và tính toán lò là vấn đề về thủy nhiệtđộng học lò phản ứng Thực tế nước ta hầu như rất hạn chế về mặt thực nghiệm, thậmchí về mặt lý thuyết chúng ta cũng có rất ít tài liệu về thủy nhiệt động học lò phản ứnghạt nhân

Chính vì vậy việc xây dựng những mô hình mô phỏng các quá trình và tính toánthủy nhiệt diễn ra trong lò phản ứng là rất cần thiết trong thời điểm hiện nay Việc làm

đó sẽ từ đó nâng cao khả năng nghiên cứu và đào tạo

Trên cơ sở đó em được nhận đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán và thiết kếphần sơ cấp của hệ thống thí nghiệm trao đổi nhiệt hai vòng tuần hoàn” với mục tiêu làthiết kế được một số thành phần chủ chốt trong phần sơ cấp của hệ thí nghiệm trao đổinhiệt hai vòng tuần hoàn

Luận văn của em gồm những nội dung chính sau đây :

CHƯƠNG I: Giới thiệu tổng quan về lò phản ứng PWR

CHƯƠNG II: Các nguyên lý nhiệt động và ứng dụng

CHƯƠNG III: Phân tích thủy nhiệt lò PWR đơn giản và lựa chọn các thiết bị phần sơ cấp của hệ thống thí nghiệm

CHƯƠNG IV: Tính toán thiết kế hệ thống sơ cấp

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THỦY NHIỆT LÒ PWR

1.1 Giới thiệu tổng quát

Năng lượng của một lò phản ứng năng lượng bắt nguồn từ quá trình phân hạchtrong nhiên liệu Năng lượng tạo ra từ nhiên liệu được truyền cho các chất làm mát dẫnnhiệt bằng đối lưu và bức xạ

Các đặc tính của thủy nhiệt động mô tả chu trình năng lượng trong lò phản ứng liênquan đến quá trình thiết kế tâm lò và thiết kế thanh nhiên liệu trong lò phản ứng

1.2 Chu trình năng lượng

Trong lò phản ứng nhiệt độ được truyền từ thanh nhiên liệu ra chất làm mát vòng sơcấp rồi trao đổi nhiệt cho vòng thứ cấp, cuối cùng là tạo ra điện nhờ tuabin hơi nước.Tùy thuộc vào sự thiết kế của lò phản ứng, tuabin có thể được điều khiển trực tiếp từvòng sơ cấp hoặc vòng làm mát thứ cấp nhận năng lượng nhiệt từ vòng sơ cấp Lò phảnứng nước áp lực (PWR) và lò nước nặng (PHWR) có hệ thống hai vòng tuần hoàn.Vòng sơ cấp phải đảm bảo nước luôn ở một trạng thái đó là lỏng để đảm bảo truyềnnhiệt với vòng thứ cấp đạt hiệu suất cao nhất và không xảy ra sự cố Vòng thứ cấpđược duy trì ở áp suất thấp hơn và nước sẽ sôi trong các bộ trao đổi nhiệt của thiết bịsinh hơi Hơi nước làm quay tuôc bin máy phát để sản xuất điện, sau đó lại được làmngưng tụ thành nước với nhiệt độ thấp hơn và qua các bộ trao đổi nhiệt để quay trở lạivòng sơ cấp

Lò phản ứng PWR hai vòng tuần hoàn (Xem hình 1.1).

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ lò PWR hai vòng tuần hoàn [1]

Dưới đây thể hiện chi tiết thuộc tính cơ bản của một số lò phản ứng:(xem bảng 1.1)

Bảng 1.1 Thuộc tính cơ bản của một số lò phản ứng:

1.3 Vòng sơ cấp.

Xung quanh thùng lò phản ứng PWR có nhiều vòng tuần hoàn được bố trí, mỗivòng tuần hoàn bao gồm hệ trao đổi nhiệt theo chiều dọc, và bơm Dòng nước làm mátchảy qua bộ trao đổi nhiệt qua những ống hình chữ U trong hệ trao đổi nhiệt Hệ thốngbình điều áp được lắp đặt trong vòng sơ cấp luôn duy trì áp suất của tâm lò cũng nhưtrong ống không thay đổi, để đảm bảo được độ ổn định của nhiệt độ trong lò

Hình 1.2 Bố trí hệ thống cho lò PWR [3]

1.4 Tâm lò phản ứng

Hình 1.3 Tâm lò phản ứng PWR

Tất cả các lò phản ứng hạt nhân loại trừ lò HTGR, đều thiết kế hệ thống nước làmmát chảy dọc theo thanh nhiên liệu Nước lạnh hơn từ ngoài chảy vào tâm lò được chảyxuống phía dưới vùng hoạt và chảy dọc lên trên tiếp xúc với thanh nhiên liệu có nhiệt

độ cao, rồi nước được đưa lên phía trên và chảy ra trong trạng thái nóng hơn để traođổi nhiệt với nước vòng thứ cấp Thùng lò cấu tạo từ một phần hình trụ với các ốngvào ra của chất tải nhiệt và đáy hình elíp Bên trong thùng lò có giếng lò hình trụ dùng

để bố trí vùng hoạt và tổ chức dòng chuyển động của chất tải nhiệt Mặt trong vỏ lòtiếp xúc với nước được phủ một lớp thép không gỉ để chống ăn mòn và giảm quá trìnhgiòn vỏ lò do tương tác của dòng notron cao, chiếu xạ mạnh Để bảo đảm độ bền,thùng lò được làm với số mối hàn ít nhất Thùng lò được thiết kế để làm việc trong một

thời gian dài từ 40 đến 60 năm Bảng 1.5 dưới đây thể hiện một số thông số chính củamột lò phản ứng hạt nhân PWR.

Bảng 1.2 Thông số cụ thể của một lò PWR công suất 1160 MWe [1]

1.5 Thanh nhiên liệu

Các lò phản ứng nước nhẹ (BWR và PWR) PHWR, ARG và LMFBR đều sử dụngthanh nhiên liệu Lò phản ứng nước nhẹ (LWRs) nước làm mát cũng có chức năng làmchậm nơtron, và sử dụng một loạt các thanh nhiên liệu được bao quanh bởi hệ thốngnước làm mát Lò phản ứng nước nặng và lò phản ứng khí tiên tiến được thiết kế đểtiếp nhiên liệu tự động và do nhiên liệu được xếp chồng lên nhau trong vòng tròn ống

áp lực không giống như trong lò PWR Theo thiết kế của lò BWR bó nhiên liệu thườnggồm 64 thanh trong khi đó lò PWR là 225 đến 289 thanh nhiên liệu được xếp lại vớinhau

Hình 1.4 Đặc điểm của thanh nhiên liệu trong lò phản ứng nước nhẹ [3]

Phía trên có các thanh điều khiển bó nhiên liệu Các thanh nhiên liệu này có đục lỗ

để cho nước chảy qua Bó nhiên liệu có chiều cao 4.2m chiều ngang 21cm, một bó gồm17x17 thanh nhiên liệu mỗi thanh lại có vỏ bọc bằng hợp kim Zirconium Alloy

(Zircalloy) bên trong chứa những viên nhiên liệu, mỗi viên lại có chiều cao là 10mm vàđường kính là 8mm.

Hình 1.5 Bó nhiên liệu tiêu biểu cho lò phản ứng nước nhẹ.[3]

(1.phía trong 2 lớp biên 3 phía góc)

Giữa các thanh nhiên liệu có khoảng cách P và trong một khung mỗi khung bọcngoài cách nhau 1 khoảng l, cách bố trí như trên hình vẽ 1.5

CHƯƠNG II : CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG

2.1 Nguyên lý nhiệt động thứ nhất.

định nghĩa khác về nhiệt động học mà chúng ta đã quen thuộc là: "nhiệt động lực học

là khoa học của nhiệt và công và những đặc tính của chất mang một mối quan hệ vớinhiệt và công Thuỷ nhiệt động là mối quan hệ giữa năng lượng, mômen và lưu lượng

Phương trình nguyên lý nhiệt động thứ nhất cho 1 hệ thống ổn định.

Coi như nguyên lý nhiệt động 1 cho hệ thống trải qua sự biến đổi trạng thái

(Độ biến đổi năng lượng + Công sinh ra = Nhiệt nhận từ môi trường)

(2.1)Khi công thức (1) được tính từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 ta có :

1Q2 là nhiệt truyền tới hệ thống trong suốt thời gian biến đổi từ trạng thái 1 đếntrạng thái 2, E1 và E2 là giá trị ban đầu trạng thái 1 và cuối cùng trạng thái 2 của nănglượng E của hệ, 1W2 là công sinh ra của hệ trong suốt quá trình

Khi hệ không chuyển động, không đặt trong trường lực à năng lượng của hệđúng bằng nội năng của hệ (U) :

Năng lượng = nội năng + thế năng + động năng

Năng lượng được đặc trưng bởi khối lượng vĩ mô,vận tốc và thế năng

Nội năng U là một dạng khác của năng lượng của hệ và được tính :

(2.2)Nguyên lý nhiệt động 1 có thể viết lại như sau :

Biểu thức động năng của hệ:

(2.4)

Biểu thức cho thế năng của hệ:

(2.5)Thế biểu thức của động năng và thế năng vào phương trình (2) ta được :

(2.6)Cộng với sự thay đổi trạng thái 1 và 2 với g là hằng số ta được :

- Công thức (2.8) và (2.9) chỉ áp dụng cho năng lượng được bảo toàn

- Độ biến thiên năng lượng của hệ trong quá trình biến đổi bằng tổng công và nhiệt mà

hệ nhận được trong quá trình đó

- Công thức (2.8) và (2.9) chỉ đưa ra sự thay đổi của nội năng, thế năng và động năngchúng ta chưa biết được giá trị tuyệt đối của các đại lượng trong các công thức trên

Tính chất nhiệt động học của entanpy

Xem xét một hệ thống có sự cân bằng về áp suât trong suốt quá trình nhiệt động.Chúng ta thừa nhận rằng không có sự thay đổi của động năng hay thế năng, chỉ là côngsinh ra trong quá trình nhiệt động

Hình 2.1 Áp suât cân bằng trong suốt quá trình [3]

Áp dụng nguyên lý nhiệt động 1 :

Công thức (2.9) :

(2.10)Công được tính từ công thức :

(2.11)

Từ đó áp suất được coi là hằng số :

(2.12)

Từ đó :

(2.13)Nhiệt truyền trong quá trình là sự thay đổi của lượng U + PV từ trạng thái đầu đến

trạng thái cuối Chúng ta định nghĩa 1 đại lượng mới được gọi là entanpy H = U + PV hay trên 1 đơn vị khối lượng thì là h = u + Pv.

 Cả entanpy và nội năng đều tăng nếu nhiệt độ tăng

 Đại lượng entanpy rất quan trọng vì nó liên quan tới sự bảo toàn năng lượng của

1 hệ dòng chảy

2.2 Nguyên lý hai áp dụng cho thể tích xác định (Control Volume)

Hình 2.2 Thể tích xác định và các dòng chảy [3]

Khối lượng cũng như nhiệt và công có thể đi qua bề mặt xác định, và khối lượng

trong thể tích xác định cũng như tính chất của nó thay đổi theo thời gian

Biểu thức của nguyên lý 1 áp dụng cho thể tích xác định (Control Volume) :

(2.14) Nhiệt đưa vào thể tích xác định cộng với năng lượng của dòng chảy bằng sự biến

đổi năng lượng trong thể tích xác định cộng với năng lượng dòng chảy ra cộng với

công sinh ra

Trạng thái ổn định dòng ổn định

Thể tích xác định không thay đổi theo trục tọa độ

Khối lượng và trạng thái trong thể tích xác định không thay đổi theo thời gian :

là hằng số

Phương trình liên tục :

(2.19)

Suy ra phương trình nguyên lý 1 như sau :

(2.20)Viết lại ta có :

(2.21)Với :

q và w có đơn vị là kJ/kg

Trạng thái và dòng đồng nhất - uniform state uniform flow (USUF):

1 Thể tích xác định không đổi trong hệ tọa độ

2 Khối lượng trong thể tích xác định có thể thay đổi theo thời gian, nhưng bất cứlúc nào trạng thái đều như nhau trong toàn bộ thể tích xác định

3 Khối lượng đi qua một đơn vị diện tích của dòng trên bề mặt xác định là khôngđổi theo thời gian nhưng lưu lượng có thể thay đổi theo thời gian

Phương trình liên tục của trạng thái và dòng đồng nhất như sau :

(2.26)Như vậy trong 1 chu trình có thời gian t chúng ta có thể viết lại phương trình liên tục cho trạng thái và dòng đồng nhất (USUF) như sau :

Chúng ta xem rằng phương trình (10) áp dụng cho mọi thời điểm t trong suốt quá trình

(2.28)Nếu như coi trạng thái của thể tích xác định đều không đổi trong 1 khoảng thời gian sẽ trở thành :

(2.29)Kết hợp với phương trình trên thời gian t :

(2.30)

(2.31)

Từ đó, trong một chu trình có thời gian t, chúng ta có thể viết nguyên lý 1 cho trạngthái và dòng đồng nhất như sau :

(2.32)

2.3 Nguyên lý nhiệt động thứ 2.

2.3.1 Hai phát biểu trong nguyên lý nhiệt động 2 :

1 Phát biểu của Kelvin-Planck:

Một động cơ không thể sinh công, nếu nó chỉ trao đổi với một nguồn nhiệt duy nhất.Kelvin-Planck phát biểu “không có động cơ nhiệt nào mà chỉ nhận nhiệt rồi phát racông bằng với nhiệt nhận vào” tức là không có động cơ nhiệt nào phát nhiệt với hiệusuất 100%

2 Phát biểu của Clausius:

Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn

Phát biểu này liên quan đến tủ lạnh hay máy bơm nhiệt tức là không thể nào chế tạođược thiết bị mà vận hành không nhận công từ bên ngoài vào

Điều này cũng ngụ ý rằng các hệ số hiệu suất luôn luôn nhỏ hơn 1

Quá trình thuận nghịch :

Quá trình AàB là thuận nghịch nếu quá trình ngược lại BàA hệ cũng đi qua cáctrạng thái trung gian như trong quá trình thuận AàB, suy ra Quá trình thuận nghịch làquá trình cân bằng Athuận= Anghịch và

biến đổi

 Ta phải lưu ý các mối liên quan giữa thuận nghịch, cân bằng, và thời gian

 Khi hệ ở trạng thái cân bằng nếu thay đổi bất kỳ yếu tố nào thì cân bằng sẽchuyển dich theo chiều chống lại sự thay đổi đó

2.3.2 Chu trình Các nô

Ta miêu tả qua giản đồ sau (hình 2.3)

Hình 2.3 Thí dụ về một động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình Cacnô [3]

Bốn quá trình cơ bản : (hình 2.4)

Hình 2.4 Chu trình Cacnô [3]

 Quá trình giãn đẳng nhiệt T1 = hằng số , 1à2 nhận Q1 từ nguồn nóng

 Quá trình giãn đoạn nhiệt 2à3 nhiệt độ giảm từ T1 à T2

 Quá trình nén đẳng nhiệt T2 = hằng số, 3à4 nhả Q2

 Quá trình nén đoạn nhiệt 4à1 nhiệt độ tăng T2àT1

Trong chu trình thuận 12341 hệ nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng, sinh công A’ vànhả nhiệt Q2 vào nguồn lạnh à động cơ nhiệt

Trong chu trình nghịch 14321 hệ nhận công lấy nhiệt (làm lạnh) từ nguồn lạnh vànhả nhiệt vào nguồn nóng à máy làm lạnh

Hai mệnh đề về hiệu suất chu trình Cacnô

“Không thể xây dựng một động cơ hoạt động giữa hai nguồn nhiệt mà có hiệu suất cao hơn so với một máy hoạt động thuận nghịch giữa hai nguồn nhiệt này."

"Tất cả động cơ hoạt động theo chu trình Cacnô từ hai nguồn nhiệt có nhiệt độ như nhau thì hiệu suất là như nhau "

Định nghĩa hiệu suất nhiệt

Hiệu suất nhiệt được định nghĩa như sau :

(2.33)Với nhiệt độ tuyệt đối, "hiệu suất nhiệt của chu trình Cácnô" có thể được thể hiện trong điều kiện của nhiệt độ tuyệt đối:

(2.34)

 Tăng TH và giữ nguyên TL thì hiệu suất tăng lên

 Giảm TL và TH giữ nguyên thì hiệu suất cũng tăng lên

 Hiệu suất là 100% khi TL = 0

 Nếu chu trình đảo ngược lại thì là máy lạnh và bơm nhiệt

Chu trình Cácnô, quy trình thuận nghịch truyền nhiệt và thuận nghịch đoạn nhiệt Quá trình đầu tiên: là "truyền nhiệt đẳng nhiệt" cho các chất lỏng làm việc từ

các nguồn nhiệt ở nhiệt độ cao

Đối với quá trình này ta có thể viết :

(2.35)

Vì đây là một quá trình thuận nghịch, trong đó nhiệt độ của chất lỏng làm việcvẫn không đổi,tích phân ta được:

( 2.36)Quá trình này được thể hiện trong bảng A-(a), và khu vực theo đường 1-2, diệntích 1-2-b-a-1, đặc trưng cho nhiệt truyền cho chất lỏng làm việc trong quá trình này

Quá trình thứ hai: là chu trình "đoạn nhiệt thuận nghịch" Từ định nghĩa của

entropy:

(2.37)

Rõ ràng entropy vẫn không đổi trong quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch.

Quá trình mà entropy là hằng số được gọi là quá trình đẳng entropy Đường 2-3(hình A) đại diện cho quá trình này, và quá trình này kết thúc vào trạng thái 3 khi nhiệt

độ của chất lỏng làm việc đạt tới TL

Quá trình thứ ba : là "quá trình đẳng nhiệt thuận nghịch", trong đó nhiệt được

truyền từ các chất lỏng làm việc cho các nguồn nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn

Chúng ta có thể viết :

( 2.38)

Từ quá trình này là quá trình mất nhiệt (đối với chất lỏng làm việc), vì thế entropycủa chất lỏng giảm

Quá trình cuối cùng: Từ quá trình cuối cùng 4-1 là quá trình hoàn thành chu kỳ,

là một "quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch" (do đó đẳng entropy), rõ ràng là giảmentropy trong quá trình 3-4 chính xác phải bằng với entropy tăng lên trong quá trình1- 2

Diện tích dưới đường 3-4, khu vực 3-4-a-b-3, đặc trưng cho nhiệt truyền từ chấtlỏng làm việc cho nguồn nhiệt ở nhiệt độ thấp

Từ "công thực hiện của chu kỳ" bằng với "truyền nhiệt thực", rõ ràng là diện tích 3-4-1 đặc trưng cho công thực hiện của cả chu kỳ

1-2-Hiệu suất của chu kỳ "cũng có thể được biểu diễn dưới dạng diện tích”

(2.39)S(1-2-3-4-1) là diện tích phần giới hạn

Đối với các quá trình thuận nghịch bên trong, diện tích bên dưới đường quá trìnhtrên giản đồ nhiệt độ-entropy đặc trưng cho nhiệt lượng truyền đi

2.3 3 Định nghĩa entrôpy

Bước đầu tiên trong việc xem xét của chúng ta về tính chất của "entropy" là thiết lập một "bất đẳng thức của Clausius" đó là:

(2.40)phương trình (2.40) giữ cho chu kỳ thuận nghịch và bất phương trình cho các chu kỳkhông thuận nghịch

Bất đẳng thức của Clausius là một hệ quả hoặc kết quả của nguyên lý thứ hai củanhiệt động học, và có giá trị cho tất cả các chu trình có thể có Bao gồm cả động cơnhiệt thuận nghịch và không thuận nghịch và máy lạnh

Entropy thể hiện tính chất của một hệ:

Bằng việc sử dụng bất đẳng thức Claussius và hai chu trình nhiệt thuận nghịch(Hình 2-4) nó có thể cho rằng "Nguyên lý thứ 2 của nhiệt động lực học đưa đến tínhchất của một hệ mà chúng ta gọi là entropy"

Hình 2.5 Hai chu trình thuận nghịch chứng minh một thực tế đó là entropy là

Bây giờ xem xét một chu trình thuận nghịch, mà có cùng một quá trình ban đầu,nhưng chu trình được hoàn thành trên đường C Đối với các chu trình này chúng ta cóthể viết :

Định nghĩa Entropy

Entropy có thể được định nghĩa như là hàm trạng thái của một chất theo mốiquan hệ :

(2.44)Entropy có tính chất rất quan trọng, và các entropy trên mỗi đơn vị khối lượng

được gọi là s (điều quan trọng cần lưu ý rằng entropy được định nghĩa ở đây là một

Lưu ý rằng Q là một hàm quá trình, và do đó là vi phân riêng phần Tuy

“Qúa trình đẳng entropy ": một quy trình không thay đổi entropy

"Quá trình đoạn nhiệt": một quy trình không có sự truyền nhiệt; Vì vậy, quá trình đoạn

nhiệt dẫn đến quá trình đẳng entropy

2.4 Nguyên lý nhiệt động thứ 2 áp dụng cho thể tích xác định

Nguyên lý nhiệt động 2 có thể áp dụng cho thể tích xác định bởi quy trình sử dụng là tương tự với quy trình viết trong nguyên lý I áp dụng cho thể tích xác định.Thể tích xác định được đưa ra trên hình 2-6 :

Hình 2.6 Sơ đồ thể tích xác định được phân tích theo nguyên lý nhiệt động

thứ 2 [3]

Các biểu thức chung của nguyên lý thứ hai

(2.50)

Đối với một quá trình đoạn nhiệt với những giả thiết trên ta có :

(2.51)Đây phương trình đưa ra áp dụng cho một quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch.Nguyên lý nhiệt động thứ 2 cho quá trình USUF (trạng thái và dòng đồng nhất):

Để giới thiệu khái niệm về công thuận nghịch và không thuận nghịch, hãy chúng

ta xem xét Hình 2-7, trong đó cho thấy một thể tích xác định trải qua một trạng thái vàdòng đồng nhất (USUF)

Quá trình không thuận nghịch hiện tại là quá trình diễn ra như của mọi quá trìnhthực

Các công đi qua bề mặt xác định trong suốt quá trình là WC.V và truyền nhiệt là QC.V.Tất cả nhiệt được truyền với môi trường xung quanh ở nhiệt độ To

Hình 2.7 USUF [3]

Hình 2.8 Quá trình thuận nghịch thay đổi tương tự hình 2.7 [3]

Hình 2.8 cho thấy thể tích xác định giống với quá trình thực ở hình 2.7 Tuynhiên, trong trường hợp này tất cả các qúa trình đều là quá trình thuận nghịch

Các công và nhiệt đi qua bề mặt xác định cho quá trình lý tưởng sẽ khác so vớiHình.2-7 (có liên quan đến không thuận nghịch) và những đại lượng được ký hiệu :(WC.V)rev và (QC.V)rev

Để xảy ra sự trao đổi nhiệt giữa thể tích xác định và môi trường xung quanh làthuận nghịch thì cần có sự chênh lệch về nhiệt độ giữa thể tích xác định với môi trườngxung quanh, như vậy cần thiết phải có sự truyền nhiệt xảy ra thông qua một động cơnhiệt thuận nghịch Công sinh ra của động cơ nhiệt thuận nghịch được gọi là : W

Tổng các công đi qua bề mặt xác định cho các trường hợp thuận nghịch và côngsinh ra của các động cơ nhiệt thuận nghịch được gọi là “công thuận nghịch " và đượcgọi là Wrev

Vậy ta có : (2.55)Ngược lại với thuận nghịch ta có đại lượng bất thuận nghịch:

( 2.56)Phương trình nguyên lý 1 viết cho trạng thái và dòng đồng nhất (USUF):

Với công sinh ra trong quá trình thuận nghịch WC ta có thể viết :

Nguyên lý 1 :

(2.58)Nguyên lý 2 :

(2.61)Thế phương trình (35) vào phương trình (36)

Hai trường hợp đặc biệt : một hệ thống (cố định khối lượng) và quá trình trạng thái

và dòng ổn định cho một thể tích xác định:

Trường hợp 1:

Công thuận nghịch cho một hệ thống :

Đối với hệ thống không có dòng chảy qua bề mặt xác định xem xét phương trình (2.64):

(2.65)

2.5.2 Đại lượng bất thuận nghịch (Công mất – Lost work):

Công bất thuận nghịch được định nghĩa :

(2.71)Một biểu thức có thể tìm được bằng cách áp dụng nguyên lý 1 với thể tích xácđịnh có liên quan đến quá trình không thuận nghịch trong hình 2-7