Bài giảng Nhiệt động lực học: Chương 8 - TS. Hà Anh Tùng

Bài giảng Nhiệt động lực học: Chương 8 Quá trình nén khí và hơi cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm chung; Máy nén piston 1 cấp; Máy nén piston nhiều cấp. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương 8: Quá trình nén khí và hơi

¾ 8.2 Máy nén PISTON

¾ 8.1 Khái niệm chung

Máy nén piston 1 cấp Máy nén piston nhiều cấp

8.1 Khái niệm chung

¾ Máy nén khí (hơi) dùng để tăng áp suất khí (hơi)

¾ Nếu p < 2 bar : đây là phạm vi sử dụng các loại QUẠT

Nếu p > 2 bar: dùng các loại MÁY NÉN

¾ Dù khác nhau về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, vv… nhưng các máy

nén này đều có quá trình nhiệt động như nhau

Nhóm 1:

dùng công cơ học để nén khí

Nhóm 2:

dùng nhiệt năng để nén khí

Ví dụ minh họa một số loại máy nén khí (hơi)

8.2 Máy nén piston

a) Máy nén piston 1 cấp

¾ Những quá trình cơ bản của máy nén piston 1 cấp

C C1 C2

p2

D

1) Quá trình nạp khí AB

p1 = const 2) Quá trình nén khí BC 3) Quá trình xả khí CD

p2 = const

p1

p

v

- BC : đẳng nhiệt n = 1

- BC1 : đa biến

- BC2 : đoạn nhiệt n = k T

s

p1

p2

B C

C1

C2

n = 1

1<

n <

k

¾ Tính công tiêu hao của máy nén piston 1 cấp

Công tiêu hao để nén 1 kg khí

từ áp suất p1 đến áp suất p2

được tính theo công thức tính

công kỹ thuật:

a) Nén theo quá trình đẳng nhiệt T = const (n = 1)

T

s

p1

p2

B C

C1

C2

n = 1

1<

n <

k

) / ( ln

ln

1

2 1

1 1

p

p v

p p

p RT

w = − = −

b) Nén theo quá trình đoạn nhiệt pv k = const (n = k)

) / (

1 1

1 1

1

1

1

2 1

1

1

2 1

1 1

1 2

2

kg

J p

p RT

k k

p

p v

p k

k v

p v

p k

k

w

k k

k k

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

=

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

=

−

−

−

=

−

−

) / (

2

1

kg J w

vdp w

p

p

KT

−

=

c) Nén theo quá trình đa biến pv n = const ( 1 < n < k )

Tương tự quá trình đoạn nhiệt, công nén cho 1kg khí của quá trình đa biến là:

) / (

1 1

1 1

1

1

1

2 1

1

1

2 1

1 1

1 2

2

kg

J p

p RT

n n

p

p v

p n

n v

p v

p n

n w

n n

n n

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

=

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

=

−

−

−

=

−

−

C C1 C2

p2

D

p1

p

v

Nhận xét: dựa vào đồ thị p-v suy ra

* Công nén của quá trình đẳng nhiệt

= diện tích ABCD là nhỏ nhất

* Công nén của quá trình đoạn nhiệt

= diện tích ABC2D là lớn nhất

a) Nén theo quá trình đẳng nhiệt T = const (n = 1)

) / ( ln

ln

1

2 1

1 1

p

p v

p p

p RT

w

q = = − = − Nhiệt lượng thải ra = công

nhận vào

b) Nén theo quá trình đoạn nhiệt pv k = const (n = k) q = 0

Nhiệt độ cuối quá trình: k

k

p

p T T

1

1

2 1

2

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

c) Nén theo quá trình đa biến pv n = const ( 1 < n < k )

Nhiệt độ cuối quá trình: n

n p

p T T

1

1

2 1

2

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

Nhiệt lượng thải qua

xylanh của quá trình

nén đa biến:

n

k n c

−

−

=

Ví dụ 8.1 trong sách “Nhiệt động lực học kỹ thuật”:

Máy nén lý tưởng 1 cấp, không khí được nén từ thông số ban đầu p1 = 1 bar, t1 =

20oC đến trạng thái cuối có p2 = 4.5 bar Xác định nhiệt độ cuối quá trình t 2,

công tiêu hao của máy nén w và nhiệt lượng thải ra q ứng với 3 trường hợp: a)

Nén đẳng nhiệt; b) Nén đoạn nhiệt và c) Nén đa biến với n = 1.3

Giải: a) Nén đẳng nhiệt: t2 = t1 = 20o C

kg kJ kg

J p

p RT

1

5 4 ln ) 273 20

( 29

8314 ln

1

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

−

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

kg kJ w

q = = −126.3 /

p

p T

k

177

450 1

5 4 ) 273 20

( 1.4

1 4 1 1

1

2 1

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

−

−

kg kJ kg

J p

p RT

k

k

k

/ 8

157 /

157834

1 1

1

1

2

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

=

−

0

=

q

c) Nén đa biến: tính tương tự như quá trình đoạn nhiệt với n = 1.3

V 4

2

p2

3

p1 1

p

Vh

Vt

4’

nắp xi lanh và piston có 1 khoảng trống, gọi là dung tích thừa Vt

Quá trình 1234 thể hiện đồ thị máy nén có dung tích thừa

Do dung tích thừa, lượng khí nạp thực sự vào xi lanh chỉ còn (V1 - V4)

2’

3’

p’2

Để đánh giá năng suất của máy nén piston bị suy giảm do dung tích thừa: dùng hiệu suất thể tích

) 9 0 7 0

( 3 1

4

−

−

λ

V V

V V

Khi áp suất nén càng cao (1’2’3’4’)

Æ λ càng thấp Æ dùng máy nén

a-1: quá trình hút khí vào xylanh cấp 1

b) Máy nén piston nhiều cấp

- Dùng để nén khí ở áp suất cao p 2 /p 1 > 10

- Giảm được công tiêu hao do có bộ làm mát trung gian (diện tích 2344’)

1-2: quá trình nén đa biến trong xylanh cấp 1

2-b: quá trình đẩy khí qua bình làm mát trung

gian trước khi nạp khi vào xylanh cấp 2

b-3: quá trình làm mát khí trong bình làm

mát trung gian và nạp vào xylanh cấp 2

3-4: quá trình nén đa biến trong xylanh cấp 2

4-c: quá trình thải khí từ xylanh cấp 2 vào

bình chứa

Xy

lanh

hạ

áp

Xy lanh

cao áp

Bộ làm mát trung gian

3

2

p2

b

p1

p

V

c 4 4’

p3

2

p 2

p 3

b

p 1

p

V

c 4 4’

p 4

T

s

p1

p2

p3

T 1 = T 3

T 2 = T 4

1

2

3 4

Vì các cấp nén đều có cùng số mũ đa biến n như nhau, ta có:

Chọn:

4

T =

1

2 1

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

n

T

T p

p

1 3

4 3

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

n

T

T p

p

Cấp 2:

Tỉ số tăng áp

4 3

4 1

2

p

p p

p p

p

x = = = p (Vì

2 = p3 )

Tỉ số tăng áp của máy nén 2 cấp là:

2 1

p

p =

¾ Tính toán cho máy nén 2 cấp

3 2

p 2

p 3

b

p 1

a

1 p

V

p 4

a) Tỉ số tăng áp của từng cấp là như nhau:

1

4 3

4 1

2

p

p p

p p

p

x = = =

1

4 2

p

p

x =

3

b) Dung tích xylanh cấp 1 (Xylanh hạ áp) là V 1 (m 3 )

Dung tích xylanh cấp 2 (Xylanh cao áp) là V 3 (m 3 )

Vì T 1 = T 3 , áp dụng pt khí lý tưởng suy ra quan hệ: 1 ( 3)

x

V

V =

Tỉ số tăng áp của toàn máy nén 2 cấp là:

và T3 = T1

n n

p

p T T

T

1

1

2 1 2

4

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

=

c) Công tiêu hao (cho 1 kg khí) của máy nén 2 cấp:

Cấp 1:

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

=

−

1 1

1

1

2 1

1

n n

p

p RT

n

n w

Cấp 2:

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

=

−

1 1

1

3

4 3

2

n n

p

p RT

n

n w

Vì:

x p

p p

p

T T

=

=

=

3

4 1

2

3 1

Công tiêu hao cho 1 kg khí của máy nén 2 cấp là:

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

−

=

= +

=

−

1 1

2 2

1

1

4 1

1 2

1

n n

mn

p

p RT

n

n w

w w

w

n : là số mũ đa biến của quá

trình nén đa biến nói chung Chú ý:

( J /kg)

2

w =

d) Nhiệt lượng khí nén thải qua xylanh và qua bình làm mát trung gian

của máy nén 2 cấp:

¾ Nhiệt lượng thải qua vỏ xylanh của mỗi cấp nén là như nhau và bằng:

kg kJ

x

T n

k n c

T n

k n

c

n

v

1 1

1 1

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

−

−

=

Δ

−

−

=

−

với

1

4

p

p

x = là tỉ số tăng áp

của từng cấp

¾ Nhiệt lượng thải qua bình làm mát trung gian của máy nén là:

Nhiệt lượng thải qua 2 vỏ xylanh của máy nén 2 cấp là: 2 q1

( T T ) kJ kg c

q2 = p 2 − 1 /

Nhiệt lượng thải tổng cộng của máy nén 2 cấp là: qmn = 2 q1 + q2 kJ / kg

với cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của khí nén

Máy nén lý tưởng 2 cấp có làm mát trung gian, áp suất ban đầu p1 = 1 bar, t1 =

20oC, áp suất cuối quá trình nén p4 = 9 bar Xác định công tiêu hao của máy nén, nhiệt độ cuối quá trình nén, nhiệt thải qua bình làm mát trung gian nếu quá trình nén xem là đoạn nhiệt

Giải: Quá trình nén là đoạn nhiệt Æ n = k = 1.4 (không khí)

Công tiêu hao của

p

p RT

k

k

k

1 2

1

1

4 1

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

−

=

−

Nhiệt độ cuối

k k

k

x

T p

p T T

T

1 1 1

1

2 1 2

4

−

−

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

1

4 =

=

p

p x

Nhiệt thải qua bình

làm mát trung gian: q2 = c p(T2 −T1) kJ /kg

* YÊU CẦU VỀ NHÀ:

1) Đọc thêm trong sách để hiểu phần tính toán cho máy nén piston nhiều cấp

2) Tự tính lại 2 ví dụ 8.1 và 8.2 để nắm vững cách tính toán