Giáo trình nhiệt động lực học kyc thuật - Chương 7 ppt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (435.21 KB, 33 trang )
- -
71
CHƯƠNG 7
CHU TRÌNH THUẬN CHIỀU
7.1: ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI.
7.1.1: Đònh nghóa
: 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. đây ta chỉ đề cập đến các chu trình thuận nghòch.
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 đòa 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.
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
72
7.2.1: Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích.
a) Chu trình thực:
Hình 7.1 Đồ thò 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. p 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 kòp dòch 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 kòp dòch chuyển nên gọi 4-1 là quá trình
nhả nhiệt đẳng tích.
p
3
2
4
0
1
v
c
b
a
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
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 nghòch.
- 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 thò
:
Hình 7.2: Đồ thò p-v và T-s chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích.
*Các quá trình:
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt (gồm nhiên liệu và không khí)
2-3: quá trình cấp nhiệt (q
1
) đẳng tích (quá trình cháy)
3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt
4-1: quá trình nhả nhiệt (q
2
) đẳng tích (quá trình thải)
*Hiệu suất nhiệt
:
t
Ta có:
t
= 1 -
1
2
q
q
(*)
Các đại lượng đặc trưng của chu trình gồm:
2
1
v
v
: tỉ số nén
2
3
p
p
: tỉ số tăng áp khi cấp nhiệt.
Mà: q
1
= c
v
(T
3
– T
2
)
q
2
= c
v
(T
4
– T
1
)
3
dq=0
2
q
1
dq=0
v
1
q
2
4
p
T
3
q
2
1
2
q
1
s
4
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
74
Từ (*)
t
= 1 -
23
14
TTc
TTc
v
v
Hay:
t
= 1 -
23
14
TT
TT
(a)
Quá trình 1-2: (đoạn nhiệt)
Ta có:
1
2
1
1
2
k
v
v
T
T
1
12
.
k
TT
Quá trình 2-3:(đẳng tích)
Ta có:
2
3
2
3
p
p
T
T
1
123
k
TTT
Quá trình 3-4:(đoạn nhiệt)
Ta có:
1
1
2
1
4
3
3
4
kk
v
v
v
v
T
T
1
1
1
1
34
1
1
.
k
k
k
TTT
.
14
TT
q
1
= c
v
.T
1
.
k-1
( - 1) (7-1)
q
2
= c
v
.T
1
( - 1) (7-2)
(a)
t
= 1 -
1
1
1
k
Vậy:
t
= 1 -
1
1
k
(7-3)
Nhận xét: Hiệu suất nhiệt của chu trình phụ thuộc vào tỉ số nén . Tăng thì
t
sẽ tăng lên.
7.2.2: Chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp.
Hình 7.3: Đồ thò p-v và T-s chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp.
q
2
q
1
q
2
q
1
p
T
2
3
dq=0
1
v
s
1
2
3
4
4
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
75
Các quá trình:
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt (chỉ nén không khí)
2-3: quá trình cấp nhiệt (q
1
) đẳng áp
3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt
4-1: quá trình nhả nhiệt (q
2
) đẳng tích.
*Hiệu suất nhiệt:
t
Ngoài hai đại lượng đặc trưng trên, ở đây có thêm đại lượng đặc trưng là :
2
3
v
v
= : tỉ số giãn nở sớm.
Ta có:
t
= 1 -
1
2
q
q
(*)
Với: q
1
= c
p
(T
3
– T
2
)
q
2
= c
v
(T
4
– T
1
)
Từ (*)
t
= 1 -
23
14
TTk
TT
(b)
- Quá trình 1-2:
1
2
1
1
2
k
v
v
T
T
1
12
.
k
TT
- Quá trình 2-3:
2
3
2
3
v
v
T
T
1
123
k
TTT
- Quá trình 3-4:
1
4
3
3
4
k
v
v
T
T
mà:
1
.
1
2
2
3
1
3
4
3
v
v
v
v
v
v
v
v
1
1
34
1
.
k
k
TT
1
11
14
1
k
kk
TT
k
TT
.
14
q
1
= c
p
.T
1
.
k-1
( - 1) (7-4)
q
2
=c
v
.T
1
(
k
- 1) (7-5)
(b)
t
= 1 -
1.
1
1
k
k
k
(7-6)
Để nâng cao
t
bằng cách ta tăng và giảm .
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
76
7.2.3: Chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp.
*Các quá trình:
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt (chỉ nén không khí)
2-5: quá trình cấp nhiệt (q
1v
) đẳng tích
5-3: quá trình cấp nhiệt (q
1p
) đẳng áp
3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt
4-1: quá trình nhả nhiệt (q
2
) đẳng tích.
Hình 7.4: Đồ thò p-v và T-s chu trình lý thuyết động cơ đốt trong
cấp nhiệt hỗn hợp.
*Hiệu suất nhiệt:
t
Từ (*)
t
= 1 -
pv
q
11
2
(c)
Với: q
1v
= c
v
(T
5
– T
2
)
q
1p
= c
p
(T
3
– T
5
)
q
2
= c
v
(T
4
– T
1
)
t
= 1 -
5325
14
TTkTT
TT
(d)
- Quá trình 1-2:
1
2
1
1
2
k
v
v
T
T
1
12
.
k
TT
- Quá trình 2-5:
2
5
2
5
p
p
T
T
1
125
k
TTT
q
2
q
1p
q
2
q
1v
q
1p
q
1v
p
T
5
3
dq=0
1
v
s
1
3
4
4
2
5
2
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
77
- Quá trình 5-3:
5
3
5
3
v
v
T
T
1
153
k
TTT
- Quá trình 3-4:
1
4
3
3
4
k
v
v
T
T
mà:
1
.
1
2
2
3
1
3
4
3
v
v
v
v
v
v
v
v
1
34
.
k
TT
1
1
14
k
k
TT
k
TT
14
q
1v
= c
v
.T
1
.
k-1
( - 1) (7-7)
q
1p
= c
p
.T
1
.
k-1
.( - 1) (7-8)
q
2
= c
v
.T
1
(.
k
- 1) (7-9)
Từ (d):
t
= 1 -
1.1
1.
1
k
k
k
(7-10)
Để nâng cao hiệu suất nhiệt
t
của chu trình bằng cách ta tăng và đồng thời
giảm .
7.2.4: So sánh hiệu suất nhiệt.
a/ Khi 3 chu trình này có cùng
và q
2
:
Hình 7.4 : Đồ thò T-s của 3 chu trình khi có cùng
và q
2
s
a
3
v
3
h
3
p
q
2
q
1v
q
1p
s
b
T
s
1
2
5
4
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
78
Ta có:
t
= 1 -
1
2
q
q
(*)
Dựa vào T-s ta có:
q
1v
= dt(s
a
, 2, 3
v
, s
b
, s
a
)
q
1h
= dt(s
a
, 2, 5, 3
h
, s
b
, s
a
)
q
1p
= dt(s
a
, 2, 3
p
, s
b
, s
a
)
q
1v
> q
1h
> q
1p
Thay vào (*) ta có:
tv
>
th
>
tp
(7-11)
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 thò T-s của 3 chu trình có cùng q
2
và T
max
Ta có:
t
= 1 -
1
2
q
q
(*)
Dựa vào Hình 7.5 ta có:
q
1p
= dt(1, 2
p
, 3, 4,1
)
q
1h
= dt(1, 2
h
, 5, 3, 4, 1
)
q
1v
= dt(1, 2
v
, 3, 4, 1
)
q
1p
> q
1h
> q
1v
Thay vào (*) ta có:
tp
>
th
>
tv
(7-12)
Vậy hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng áp là lớn nhất và đẳng tích là nhỏ
nhất.
2
p
2
h
2
v
q
2
q
1v
q
1p
T
s
1
3
4
5
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
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 bò 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 thò:
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
1
2
6
7
5
3
4
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
80
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 thò p-v và T-s chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng áp.
*Các quá trình:
1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt, do máy nén 2 thực hiện
2-3: Quá trình cháy đẳng áp ở buồng đốt 4
2-4: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong turbine 6
4-1: Quá trình nhả nhiệt đẳng áp ra môi trường.
*Hiệu suất nhiệt:
Ta có:
t
= 1 -
1
2
q
q
(*)
Với: q
1
= c
p
(T
3
– T
2
)
q
2
= c
p
(T
4
– T
1
)
Từ (*)
t
= 1 -
23
14
TT
TT
(a)
Ngoài các đại lượng đặc trưng đã có trong chu trình động cơ đốt trong ở trên, ở
đây ta đặt:
1
2
p
p
=: tỉ số tăng áp khí nén.
- Quá trình 1-2:
1
2
1
1
1
2
1
2
k
k
k
v
v
p
p
T
T
(b)
1
1
1
12
.
k
k
k
TTT
- Quá trình 2-3:
2
3
2
3
v
v
T
T
=
1
123
k
k
TTT
q
2
q
1
q
1
q
2
p
T
2
3
dq=0
v
s
1
2
3
4
1
4
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
81
- Quá trình 3-4:
k
k
p
p
T
T
1
4
3
4
3
(c)
So sánh (b) và (c):
4
3
1
2
T
T
T
T
k
k
k
k
T
TT
T
TT
T
1
1
1
1
1
2
13
4
.
.
14
TT
Thay các giá trò nhiệt độ vào (a):
t
= 1 -
1
1
1
k
k
t
= 1 -
k
k 1
1
Hay:
t
= 1 -
1
1
k
(7-13)
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 thò 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
2.
Máy nén
8
7
6
5
4
3
2
1
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
82
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 thò 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 T
4
= T
2’
và T
2
= T
4’
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:
Ta có:
t
= 1 -
1
2
q
q
(a)
Khi có hồi nhiệt:
c
c
c
t
q
q
1
2
1
(b)
mà
'
211
qqq
c
'
222
qqq
c
2
4
'
'
'
2
'
4
p
v
1
s
2
T
4
3
1
2
3
4
2
q
q
1
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
83
'
21
'
22
1
c
t
(c)
mà q
1
<
'
21
qq
q
2
>
'
22
qq
So sánh (a) và (c):
c
t
>
t
Hiệu suất nhiệt của chu trình có hồi nhiệt lớn hơn chu trình không có hồi nhiệt.
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 thò chu trình được biểu diễn như sau:
Hình 7.10: Sơ đồ turbine khí cấp nhiệt đẳng tích
1. Bơm nhiên liệu 5. Ống tăng tốc
2. Máy nén 6. Turbine
3. Các van nạp và thải 7. Máy phát điện
4. Buồng đốt a. Hệ thống đánh lửa
Hình 7.11: Đồ thò p-v và T-s turbine khí cấp nhiệt đẳng tích
1
2
6
7
5
4
3
a
3
dq = 0
q
2
q
1
4
2
1
dq = 0
s
T
3
2
1
q
2
4
v
p
q
1
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
84
* 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
2
p
p
: tỉ số tăng áp khi nén
2
3
p
p
: tỉ số tăng áp khi cấp nhiệt
Từ :
t
= 1 -
1
2
q
q
(*)
Với: q
1
= c
v
(T
3
– T
2
)
q
2
= c
p
(T
4
– T
1
)
23
14
1
TT
TT
k
t
(d)
- Quá trình 1-2:
k
k
p
p
T
T
1
1
2
1
2
k
k
TT
1
12
- Quá trình 2-3:
2
3
2
3
p
p
T
T
23
TT
.
1
13
k
k
TT
- Quá trình 3-4:
k
k
p
p
T
T
1
3
4
3
4
mà
3
2
2
1
32
24
3
4
.
.
p
p
p
p
pp
pp
p
p
.
1
3
4
p
p
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
85
k
k
TT
1
34
.
1
k
k
k
k
TT
1
1
14
.
1
k
TT
1
14
.
Thay các giá trò nhiệt độ vào (d):
1
1
1
1
1
k
k
k
t
k
(7-14)
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 thò chu trình được biểu diễn như sau:
Hình 7.12: Đồ thò 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:
T
4’
= T
2
; T
2’
= T
4
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
4
1
2
3
T
s
dq=0
dq=0
1
2
4
3
4'
2'
2'
4'
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
86
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:
c
t
>
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.
3 : Buồng đốt.
4 : Ống tăng tốc.
w
0
w
w
0
w
2
1 3
4
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
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 thò 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.
*Hiệu suất nhiệt
:
Do đồ thò của chu trình giống với đồ thò chu trình turbine cấp nhiệt đẳng áp nên
hiệu suất nhiệt chứng minh tương tự ta cũng có:
k
k
t
1
1
1
(7-15)
Đối với động cơ này để có được vận tốc ban đầu
0
. Động cơ cần phải có một
thiết bò khởi động riêng.
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.
p
T
dq=0
dq=0
v
1
q
2
q
4
3
2
1
s
1
2
3
4
q
1
q
2
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
88
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 thò p-v động cơ phản lực turbine máy nén.
1
2
3
4
5
A
3
q
2
3'
2'
1
q
4
v
a
b
c
p
1
2
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
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.
*Hiệu suất nhiệt
:
Phương pháp tính hiệu suất nhiệt không khác gì so với động cơ turbine cấp
nhiệt đẳng áp.
k
k
t
1
1
1
(7-16)
So với loại trực lưu biểu thức xác đònh
t
không khác, nhưng chu trình này tỉ số
tăng áp cao hơn. Do vậy hiệu suất nhiệt cũng cao hơn.
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: ng tăng tốc.
5
4
3
2
1
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
90
Hình 7.18: Đồ thò 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.
*Hiệu suất nhiệt
:
Ta có:
1
q
l
t
(e)
Đối với quá trình nén 1 – 2, vì là nén chất lỏng nên ta coi : v
2
v
1
.
Vậy công nén:
l
n
= i
2
– i
1
(q = i + l
kt
= 0 : xem là đoạn nhiệt)
Hay: l
n
= -
2
1
vdp
= v
1
(p
2
– p
1
)
Công giãn nở (3-4):
l
gn
= i
3
– i
4
Vậy công của chu trình sẽ là:
l = l
gn
– l
n
l = (i
3
– i
4
) – v
1
(p
2
– p
1
)
'
'
2
2
3
4
1
1
1
q
2
q
v
p
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
91
Nhiệt nhận q
1
sẽ là:
q
1
= c
p
(T
3
– T
2
) = i
3
– i
2
hay:
q
1
= (i
3
– i
1
) – (i
2
– i
1
) = (i
3
– i
1
) – v
1
(p
2
– p
1
)
(e)
12113
12143
ppvii
ppvii
t
Trong quá trình 1 – 2 vì công tiêu hao rất nhỏ có thể bỏ qua.
13
43
ii
ii
t
(7-17)
Hay có thể xác đònh hiệu suất nhiệt như sau:
Từ đònh luật nhiệt động 1 cho dòng chảy:
dq = di + d
2
2
(f)
và dq = di – vdp (g)
Xét quá trình 3-4 là quá trình giãn nở đoạn nhiệt biến hoàn toàn thành động
năng để sinh công.
Từ (f) và (g):
2
2
3
2
4
l
= i
3
– i
4
q
1
= c
p
( T
3
- T
2
)
1
2
3
2
4
.2 q
t
Khi:
3
<<
4
23
2
4
1
2
4
.2.2 TTcq
p
t
(7-18)
7.5: CHU TRÌNH THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC HƠI NƯỚC .
7.5.1: Chu trình carnot của khí thực. ( hơi nước)
Từ đònh 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.
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
92
Hình 7.19: Đồ thò p-v và T-s chu trình carnot hơi nước.
*Các quá trình:
4-1: Quá trình hoá hơi đẳng áp, cũng là quá trình đẳng nhiệt (T
1
= const),
quá trình này biến nước sôi thành hơi bão hoà khô ( quá trình này được thực hiện bởi
lò hơi).
1-2: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt ở turbine.
2-3: Quá trình ngưng hơi đẳng áp cũng là đẳng nhiệt, được thực hiện
trong bình ngưng.
3-4: Quá trình nén đoạn nhiệt ở máy nén.
Hiệu suất nhiệt vẫn áp dụng công thức:
1
2
1
T
T
t
(7-19)
Tuy vậy chu trình carnot hơi nước không được áp dụng vì có một số hạn chế
sau: Do quá trình ngưng 2-3 không hoàn toàn (còn hơi) nên máy nén có kích thước
lớn. ( công tiêu hao lớn). Nhiệt độ 2 nguồn nóng và lạnh bò khống chế (t
k
= 374
0
C),
nên hiệu suất nhiệt làm việc trong vùng này không cao.
Để nâng cao hiệu suất nhiệt, bằng cách tăng T
1
thì công của chu trình sẽ giảm
xuống : l = dt (1’ 2’ 3’ 4’).
7.5.2: Chu trình Rankine .
Để khắc phục một số nhược điểm của chu trình carnot ở trên người ta thay đổi
một số quá trình trong chu trình như sau:
Quá trình ngưng hơi được kéo dài để hoá lỏng hoàn toàn, sau đó được bơm
nước nén đoạn nhiệt từ áp thấp p
2
đến áp cao p
1
đưa vào lò ( hoàn toàn là nước nên
bơm có kích thước nhỏ, công tiêu hao giảm)
2
T
T
1
x = 1
x = 0
x = 1
x = 0
q
1
2
q
p
2
2'
3'
3
4
1
1'
4'
2
3
1
4
T
k
v
s
k
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
93
a/ Sơ đồ và đồ thò:
Hình 7.20: Sơ đồ nguyên lý chu trình Rankine
a: Bơm nước cấp.
b: Lò hơi.
c: Bộ quá nhiệt.
d: Turbine hơi.
e: Bình ngưng.
Hình 7.21: Đồ thò p-v và T-s chu trình Rankine
Các quá trình gồm:
1-2 : quá trình giãn nở đoạn nhiệt sinh công trong turbine.
2-2’: quá trình ngưng hơi đẳng áp nhả nhiệt cho nguồn lạnh (ở bình
ngưng).
2’-3: quá trình nén nước đoạn nhiệt do bơm nước cấp.
e
d
a
b
c
2
1
5
k
4
1
q
2
q
3
2'
x = 0
x = 1
T
s
1
2
x = 1
x = 0
2'
2
1
5
k
4
3
p
p
p
v
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
94
3-4-5: quá trình cấp nhiệt đẳng áp từ nước chưa sôi đến nước sôi và đạt
đến hơi bão hoà khô. ( trong lò hơi)
5-1: quá trình cấp nhiệt đẳng áp tiếp theo ở bộ quá nhiệt.
b/ Hiệu suất nhiệt của chu trình
:
1
21
q
t
(a)
Công của bơm a rất nhỏ có thể bỏ qua do đó ta xem trạng thái 3 trùng với 2’.
q
1
= i
1
- i
3
q
2
= i
2
- i
2’
= i
2
- i
3
(a)
31
3231
ii
iiii
t
Vậy:
31
21
ii
ii
t
(7-20)
7.5.3: Các biện pháp nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình khí thực.
Hiệu suất của chu trình phụ thuộc rất lớn đến các thông số hơi vào và ra khỏi
turbine,để nâng cao hiệu suất nhiệt ta thường điều chỉnh những thông số này.
a/ nh hưởng của áp suất hơi vào turbine
: (p
1
)
Trong trường hợp này nếu ta tăng áp suất hơi vào turbine p
1
, trong khi vẫn giữ
nguyên nhiệt độ t
1
và áp suất ra khỏi turbine p
2
. Điều này thể hiện trên đồ thò T-s và
i-s như sau:
Hình 7.22: Đồ thò T-s và i-s khi thay đổi áp suất p
1
Dựa vào hình 7.22, ta thấy rằng khi tăng áp suất p
1
(t
1
, p
2
không đổi) thì độ
biến thiên enthanpy cũng sẽ tăng lên làm cho hiệu suất nhiệt tăng.
Tuy nhiên ta cũng thấy rằng khi p
1
tăng thì hơi ra khỏi turbine, tại trạng thái 2’
độ ẩm cũng tăng, do những hạt nước trong hơi nhiều sẽ phá hỏng cánh động của
turbine khi va đập.
1
t
p
1
'
1
p
p
2
2
2
'
'
1
1
x = 1
x = 0
'
p
2
p
1
1
p
'
2
2
1
1
'
t
1
i
k
s
s
T
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
95
b/ Ảnh hưởng của nhiệt độ vào turbine .(t
1
)
Khi giữ nguyên p
1
, p
2
ta tăng t
1
,điều này được thể hiện trên đồ thò i-s như sau:
Hình 7.23: Đồ thò i-s khi tăng t
1
Khi ta tăng t
1
vẫn giữ nguyên p
1
và p
2
, dựa vào đồ thò i-s ta thấy rằng độ biến
thiên enthanpy sẽ tăng lên làmø cho hiệu suất nhiệt tăng.
Mặt khác khi tăng t
1
cuối quá trình giãn nở trong turbine, tại trạng thái 2’ độ
khô cũng tăng lên, điều này sẽ giảm bớt sự xâm thực cơ học trên cánh động turbine.
Để hiệu suất nhiệt tăng cao, đồng thời ta tăng cả p
1
và t
1
.
Tuy vậy nhiệt độ t
1
cũng không tăng quá cao sẽ ảnh hưởng đến sức bền của
turbine. ( thông thường: p
1max
= 300
bar, t
1max
= 650
0
C)
c/ nh hưởng của áp suất hơi ra khỏi turbine .(p
2
)
Trong trường hợp này ta giữ nguyên p
1
và t
1
, giảm áp suất ra khỏi turbine p
2
.
Quá trình giãn nở trong turbine được biểu thò trên đồ thò i-s như sau:
Hình 7.24: Đồ thò i-s khi giảm p
2
k
'
1
1
'
t
1
2
'
1
2
p
s
1
t
i
2
p
1
k
t
1
'
p
2
p
2
2
'
2
1
p
s
i
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
