Giáo trình nhiệt động lực học kyc thuật - Chương 7 ppt

7.1.2: Phân loại: Chu trình thuận chiều có thể phân loại theo các cách sau: * Dựa vào phương thức cấp nhiệt, bao gồm: - Động cơ đốt trong: Là chu trình có quá trình cháy xảy ra bên tron

Trang 1

- - 71

CHƯƠNG 7 CHU TRÌNH THUẬN CHIỀU 7.1: ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

7.1.1: Định nghĩa: Chu trình thuận chiều là chu trình có các quá trình tiến hành

theo chiều kim đồng hồ, là chu trình sinh công trong các động cơ nhiệt, biến nhiệt năng thành cơ năng Ơû đây ta chỉ đề cập đến các chu trình thuận nghịch

7.1.2: Phân loại:

Chu trình thuận chiều có thể phân loại theo các cách sau:

* Dựa vào phương thức cấp nhiệt, bao gồm:

- Động cơ đốt trong: Là chu trình có quá trình cháy xảy ra bên trong động cơ như: Động cơ đốt trong kiểu piston, turbine khí, động cơ phản lực, tên lửa,…

- Động cơ đốt ngoài: Là chu trình có quá trình cháy xảy ra bên ngoài động cơ như: Máy hơi nước, turbine trong nhà máy nhiệt điện, điện địa nhiệt, điện mặt trời,…

* Dựa vào tính chất của chất môi giới, bao gồm:

- Động cơ sử dụng chất môi giới được xem là khí lý tưởng

- Động cơ dùng chất môi giới ở dạng hơi (khí thực) như hơi nước, hơi thủy ngân, hơi Freon,…

7.2: CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG: (Kiểu Piston)

Nguyên lý hoạt động của loại này đó là sản phẩm cháy được xem là chất môi giới và thực hiện các quá trình: nạp, nén, cháy nhiên liệu (cấp nhiệt), giãn nở sinh công và thải Loại này có động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, dầu hoặc gas Ngoài ra phụ thuộc vào hành trình làm việc của piston nên được chia ra: động cơ 2 kỳ, động cơ

4 kỳ.Mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm khác nhau, nhưng thông dụng nhất hiện nay vẫn là loại 4 kỳ, ở đây ta chỉ đề cập loại 4 kỳ mà thôi

Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM

Trang 2

7.2.1: Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích

a) Chu trình thực:

Hình 7.1 Đồ thị p-v của chu trình thực động cơ đốt trong kiểu piston cấp nhiệt

đẳng tích

a: van nạp b: van thải c: buri tạo tia lửa điện

Nguyên lý hoạt động như sau:

- Quá trình 0-1: là quá trình nạp nhiên liệu và không khí vào lòng xilanh Lúc này piston đi từ trái sang phải, van nạp a mở để không khí và nhiên liệu vào lòng xilanh Aùp suất bên trong nhỏ hơn áp suất khí trời, khi đến trạng thái1 thì van nạp đóng lại

- Quá trình 1-2: là quá trình nén hỗn hợp nhiên liệu và không khí Piston đi từ phải sang trái, cả 2 van a và b đều đóng, áp suất trong xilanh tăng lên Khi đến trạng thái 2, buri c bật tia lưả điện, toàn bộ hỗn hợp bốc cháy, áp suất và nhiệt độ tăng lên rất nhanh, và kết thúc quá trình khi piston chưa kịp dịch chuyển nên gọi là quá trình cấp nhiệt đẳng tích: 2-3

- Quá trình 3-4: là quá trình giãn nở của sản phẩm cháy để sinh công Piston đi từ trái sang phải lần thứ hai, áp suất trong xilanh giảm dần, hai van đều đóng

- Quá trình 4-1: là quá trình nhả nhiệt (nhả sản phẩm cháy ra ngoài) Khi đến 4 thì van thải b mở ra, do áp suất bên trong lớn hơn áp suất môi trường nên hỗn hợp cháy thoát ra ngoài rất nhanh, khi piston chưa kịp dịch chuyển nên gọi 4-1 là quá trình nhả nhiệt đẳng tích

p32

4

v

cba

Trang 3

- - 73

- Quá trình 1-0: là quá trình thải hoàn toàn Piston đi từ phải sang trái, lúc này trong lòng xilanh vẫn còn sản phẩm cháy, do van thải vẫn tiếp tục mở nên piston đẩy toàn bộ hỗn hợp cháy còn sót lại ra ngoài để trở về với trạng thái ban đầu

b/ Chu trình lý thuyết:

Để tiện cho việc nghiên cứu ta dựa vào các giả thuyết sau:

- Môi chất được xem là khí lý tưởng

- Các quá trình là thuận nghịch

- Quá trình cháy là quá trình cấp nhiệt

- Quá trình thải là quá trình nhả nhiệt

- Quá trình nạp và thải triệt tiêu nhau về công, hệ được coi là hệ kín *Đồ thị:

Hình 7.2: Đồ thị p-v và T-s chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích

3

q21

2

q1

s4Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM

Trang 4

Từ (*)  t = 1 -  

 3 2

1 4

T T c

T T



(a) Quá trình 1-2: (đoạn nhiệt)

Ta có:

1

2 1 1 2

3

p

p T

T



 T3 T2T1.k1.Quá trình 3-4:(đoạn nhiệt)

Ta có:

1

1 2 1

4 3 3 4

v

v v

v T T

1 1 3 4

1

7.2.2: Chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp

Hình 7.3: Đồ thị p-v và T-s chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp

3

44

Trang 5

- - 75Các quá trình:

1-2: quá trình nén đoạn nhiệt (chỉ nén không khí) 2-3: quá trình cấp nhiệt (q1) đẳng áp

3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt 4-1: quá trình nhả nhiệt (q2) đẳng tích

*Hiệu suất nhiệt: tNgoài hai đại lượng đặc trưng trên, ở đây có thêm đại lượng đặc trưng là :

 3 2

1 4

T T k

T T

3

v

v T

mà:



.1

1 2 2 3 1 3 4

v v

v v v

3 4

1  

T k k T





1 1 1 1 4

1

Để nâng cao  bằng cách ta tăng  và giảm 

Trang 6

7.2.3: Chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp

Hình 7.4: Đồ thị p-v và T-s chu trình lý thuyết động cơ đốt trong

cấp nhiệt hỗn hợp

*Hiệu suất nhiệt: t Từ (*) 

t = 1 -

p

v q q

q

1 1

T T k T T

T T

5

p

p T

2

5 2

Trang 7

- - 77

- Quá trình 5-3:

5 3 5

3

v

v T

mà:



.1

1 2 2 3 1 3 4

v v

v v v



1 3





1 1

T T

7.2.4: So sánh hiệu suất nhiệt

a/ Khi 3 chu trình này có cùng  và q 2:

Hình 7.4 : Đồ thị T-s của 3 chu trình khi có cùng  và q 2

2

5

4Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM

Trang 8

q1p = dt(sa, 2, 3p, sb, sa )

 q1v > q1h > q1p Thay vào (*) ta có:

Vậy hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng tích là lớn nhất và đẳng áp là nhỏ nhất

b/ Khi 3 chu trình có cùng q 2 và T max (quá trình giãn nở):

Hình 7.5: Đồ thị T-s của 3 chu trình có cùng q 2 và T max

q1p = dt(1, 2p, 3, 4,1)

q1h = dt(1, 2h, 5, 3, 4, 1)

q1v = dt(1, 2v, 3, 4, 1)

 q1p > q1h > q1vThay vào (*) ta có:

q1p T

s

1

3

45

Trang 9

- - 79

7.3: CHU TRÌNH TURBINE KHÍ

Bên cạnh những ưu điểm của 3 loại động cơ đốt trong ở trên như: có thể nâng cao hiệu suất nhiệt và làm việc ở nhiệt độ cao, nhưng nó có các hạn chế như công sinh ra không liên tục, điều kiện làm việc của piston ở vận tốc lớn sẽ ảnh hưởng đến sức bền động cơ,… Để khắc phục các nhược điểm này người ta sử dụng động cơ turbine khí

Ưu điểm của turbine khí:

- Thiết bị gọn nhẹ, công suất lớn

- Chuyển động quay nên khi làm việc ở vận tốc lớn không ảnh hưởng đến sức bền động cơ

- Vận hành đơn giản,…

Turbine được ứng dụng trong máy phát điện, máy bay,… Phụ thuộc vào quá trình cấp nhiệt, turbine được chia làm hai loại: Chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng tích và chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng áp

7.3.1: Chu trình lý thuyết turbine khí cấp nhiệt đẳng áp

a/ Sơ đồ và đồ thị:

Hình 7.6 Sơ đồ turbine khí cấp nhiệt đẳng áp

1 Bơm nhiên liệu

2 Máy nén

3 Vòi phun

4 Buồng đốt

5 Ống tăng tốc

6 Turbine giãn nở

7 Máy phát điện

Trang 10

Khi bơm nhiên liệu 1 và máy nén 2 hoạt động, thông qua các vòi phun 3 không khí và nhiên liệu có áp và nhiệt độ cao sẽ hòa trộn và tự bốc cháy trong buồng đốt 4 Hỗn hợp khí cháy được đưa vào ống tăng tốc 5 trước khi thổi vào cánh động của turbine 6 để sinh công cho máy phát điện 7

Hình 7.7: Đồ thị p-v và T-s chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng áp

 3 2

1 4

T T



(a) Ngoài các đại lượng đặc trưng đã có trong chu trình động cơ đốt trong ở trên, ở đây ta đặt:

1 2 1

k

v

v p

p T

T

(b)

1 1 1

- Quá trình 2-3:

2 3 2

3

v

v T

T

 = 

    

1 1 2

k

T T

Trang 11

4 3 4

2

T

T T

T



 k k k k

T

T T

T

T T

1

1 1 1 2

1 3 4

Khi tăng  hoặc  thì t sẽ tăng lên

7.3.2: Chu trình lý thuyết turbine khí cấp nhiệt đẳng áp có hồi nhiệt

Để nâng cao hiệu suất nhiệt của turbine người ta thường dùng phương pháp hồi nhiệt, sơ đồ và đồ thị chu trình này được biểu diễn như sau:

Hình 7.8: Sơ đồ turbine khí cấp nhiệt đẳng áp có hồi nhiệt

1 Bơm nhiên liệu

3

2 1

Trang 12

3 Vòi phun

4 buồng đốt

5 Ống tăng tốc

6 Cánh động turbine

7 Bộ hồi nhiệt (gia nhiệt)

8 Máy phát điện

Hình 7.9: Đồ thị p-v và T-s turbine khí cấp nhiệt đẳng áp có hồi nhiệt

Do khí thải của turbine có nhiệt độ cao, nên dùng để gia nhiệt không khí trước khi đưa vào buồng đốt Được gọi là hồi nhiệt hoàn toàn khi nguồn lạnh hấp thụ toàn bộ nhiệt lượng của nguồn nóng Ở đây ta có quá trình 4-4’ và 2-2’ được xem là hồi nhiệt hoàn toàn, và ta có T4 = T2’ và T2 = T4’

Các quá trình:

1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt 2-2’: Quá trình cấp nhiệt đẳng áp nhờ bộ hồi nhiệt 2’-3: Quá trình cấp nhiệt đẳng áp trong buồng đốt 3-4: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt

4-4’: Quá trình chuyển nhiệt từ khí thải vào khí nén

4’-1: Quá trình nhả nhiệt đẳng áp ra môi trường

Hiệu suất nhiệt:

q c  

' 2 2

'4p

v

1

s2

T

43

1

42

q

q1

Trang 13

- - 83

 '

2 1

' 2 2

1

q q

c t

7.3.3: Chu trình lý thuyết turbine khí cấp nhiệt đẳng tích

Sự khác biệt giữa turbine cấp nhiệt đẳng tích và đẳng áp đó là cấu tạo của buồng đốt Loại này được bố trí thêm các van thải, nạp, hệ thống đánh lửa Sơ đồ và đồ thị chu trình được biểu diễn như sau:

Hình 7.10: Sơ đồ turbine khí cấp nhiệt đẳng tích

3 Các van nạp và thải 7 Máy phát điện

Hình 7.11: Đồ thị p-v và T-s turbine khí cấp nhiệt đẳng tích

54

3a

Trang 14

* Các quá trình:

1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt 2-3: Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 3-4: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt 4-1: Quá trình nhả nhiệt đẳng áp ra môi trường

*Hiệu suất nhiệt:

Các đại lượng đặc trưng:

1

T T

T T k

p

p T T

1

1 2 1

1 1 2



- Quá trình 2-3:

2 3 2

3

p

p T

k

T T





- Quá trình 3-4:

k k

p

p T T

1

3 4 3

2 4 3

p p p

Trang 15

- - 85

k

T T

1

3 4

.1

k

T T

1 1

1 4

1

1 1

k

Để nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình bằng cách tăng  và 

7.3.4:Chu trình lý thuyết turbine khí cấp nhiệt đẳng tích có hồi nhiệt

Cũng như turbine cấp nhiệt đẳng áp, để nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình người ta cũng dùng biện pháp hồi nhiệt Sơ đồ của bộ hồi nhiệt không khác gì so với loại cấp nhiệt đẳng áp Đồ thị chu trình được biểu diễn như sau:

Hình 7.12: Đồ thị p-v và T-s chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng tích

có hồi nhiệt

Ở đây 2 quá trình 4-4’ và 2-2’ cũng được xem là hồi nhiệt hoàn toàn và ta có:

T4’ = T2 ; T2’ = T4 Các quá trình:

1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt 2-2’: Quá trình cấp nhiệt đẳng áp ở bộ hồi nhiệt 2’-3: Quá trình cấp nhiệt đẳng tích ở buồng đốt

p

v

41

2

s

dq=0dq=0

1

2

43

4'

2'

Trang 16

3-4: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt 4-4’: Quá trình chuyển nhiệt từ khí thải vào khí nén.(ở bộ hồi nhiệt) 4’-1: Quá trình nhả nhiệt đẳng áp ra môi trường

Hiệu suất nhiệt khi có hồi nhiệt: c

t

Chứng minh tương tự như turbine cấp nhiệt đẳng áp, hiệu suất nhiệt khi có hồi nhiệt lớn hơn khi không có hồi nhiệt:

ct > t

7.4 : CHU TRÌNH LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC

Khi sử dụng động cơ đốt trong piston nếu tăng công suất động cơ thì khối lượng lớn, nặng nề, không phù hợp với ngành hàng không Do vậy đối với động cơ máy bay tốc độ cao thường sử dụng loại động cơ phản lực vì công suất lớn nhưng khối lượng lại nhỏ, tốc độ nhanh

Nguyên tắc cơ bản của động cơ phản lực đó là thực hiện quá trình cháy (nhiệt năng) chuyển thành động năng tạo phản lực để đưa động cơ về phía trước

Phụ thuộc vào kết cấu động cơ cũng như quá trình cháy động cơ phản lực được chia làm nhiều loại: động cơ phản lực trực lưu, động cơ phản lực turbine máy nén,

7.4.1: Chu trình động cơ phản lực trực lưu

Hình 7.13: Sơ đồ nguyên lý động cơ phản lực trực lưu

1 : Ống tăng áp

2 : Vòi phun nhiên liệu

Trang 17

- - 87 Nguyên lý làm việc như sau: Khi động cơ chuyển động về phía trước với vận tốc

0, thì không khí được nén lại nhờ ống tăng áp 1, sau đó được đưa vào buồng đốt 3, thông qua các vòi phun nhiên liệu 2 để thực hiện quá trình cháy, sản phẩm sau khi cháy xong được chuyển sang ống tăng tốc 4 để nâng cao vận tốc , trước khi thoát ra ngoài tạo một phản lực lớn đẩy động cơ về phía trước

Hình 7.14: Đồ thị p.v và T-s động cơ phản lực trực lưu

Các quá trình:

1-2 : Quá trình nén đoạn nhiệt

2-3 : Quá trình cấp nhiệt đẳng áp

3-4 : Quá trình giãn nở đoạn nhiệt ở ống tăng tốc

4-1 : Quá trình nhả nhiệt đẳng áp

Do đồ thị của chu trình giống với đồ thị chu trình turbine cấp nhiệt đẳng áp nên hiệu suất nhiệt chứng minh tương tự ta cũng có:

k k

7.4.2 Động cơ phản lực turbine máy nén

Loại này được sử dụng rộng rãi hơn so với các loại động cơ phản lực khác, do hiệu suất nhiệt cao hơn, đồng thời vận tốc cũng lớn hơn nhờ có thêm ống tăng tốc hỗn hợp

4 q

q

Trang 18

Hình 7.15: Sơ đồ nguyên lý động cơ phản lực turbine máy nén

1: Ống tăng áp

2: Máy nén

3: Buồng đốt

4: Turbine

5: Ống tăng tốc hỗn hợp

A: Vòi phun nhiên liệu

So với loại trực lưu, loại này sau ống tăng áp, được đặt thêm một máy nén 2 để tăng áp suất của không khí lên cao hơn nữa Máy nén làm việc nhờ động lực từ turbine 4 trích một phần công giãn nở từ sản phẩm cháy Sau đó sản phẩm cháy đưa vào ống tăng tốc hỗn hợp 5 để nâng cao vận tốc tạo phản lực lớn và đưa động cơ về phía trước

Hình 7.16 : Đồ thị p-v động cơ phản lực turbine máy nén

3

4

5A

3

q 2

3' 2'

v

a b c

Trang 19

- - 89

*Các quá trình:

1-2’: quá trình nén đoạn nhiệt ở ống tăng áp 1

2’-2: quá trình nén đoạn nhiệt tiếp theo ở máy nén 2 2-3 : quá trình cấp nhiệt đẳng áp trong buồng đốt

3-3’: quá trình giãn nở đoạn nhiệt một phần trên turbine 4

3’-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt hoàn toàn ở ống tăng tốc 5

4-1: quá trình nhả nhiệt đẳng áp ra môi trường

Phương pháp tính hiệu suất nhiệt không khác gì so với động cơ turbine cấp nhiệt đẳng áp



k k

7.4.3: Chu trình tên lửa

Điểm đặc biệt của chu trình này là sử dụng oxy lỏng được mang theo, không dùng không khí trong khí quyển Do vậy tên lửa có thể sử dụng trong cả không gian ngoài phạm vi khí quyển

Hình 7.17: Sơ đồ động cơ tên lửa

1: Nhiên liệu lỏng 2: Oxy lỏng

3: Bơm

4: Buồng đốt

5: Oáng tăng tốc

5 4

3

2 1

Trang 20

Hình 7.18: Đồ thị p-v động cơ tên lửa

Nguyên lý hoạt động như sau: Nhiên liệu và oxy lỏng đưa vào buồng đốt 4 thông qua các bơm 3 Tại đây nó thực hiện quá trình cháy đẳng áp, sản phẩm cháy được đưa tiếp vào ống tăng tốc 5 để tăng tốc đồng thời thực hiện quá trình giãn nở đoạn nhiệt tạo áp lực lớn để đẩy động cơ về phía trước

*Các quá trình:

1 - 2: quá trình nén oxy lỏng

2 - 3: quá trình cháy đẳng áp trong buồng đốt

3 - 4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong ống tăng tốc

4 - 1: quá trình nhả nhiệt ra môi trường

lgn = i3 – i4Vậy công của chu trình sẽ là:

2q

vp

Trang 21

- - 91Nhiệt nhận q1 sẽ là:

p p v i i

4 3

i i

Hay có thể xác định hiệu suất nhiệt như sau:

Từ định luật nhiệt động 1 cho dòng chảy:

2 4

.2

7.5: CHU TRÌNH THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC HƠI NƯỚC

7.5.1: Chu trình carnot của khí thực ( hơi nước)

Từ định luật nhiệt động thứ hai ta biết trong phạm vi nhiệt độ giữa hai nguồn nóng và lạnh như nhau, thì chu trình carnot có hiệu suất nhiệt là lớn nhất

Đối với chất khí và hơi quá nhiệt ta khó thực hiện được chu trình carnot vì khó lòng thực hiện hai quá trình cấp nhiệt đẳng nhiệt và thải đẳng nhiệt, nhưng trong phạm vi hơi nước bão hoà thì có thể thực hiện được

Định dạng
Số trang	33
Dung lượng	435,21 KB