Giáo trình - Nhiệt động lực học - chương 7 ppt

115

Chương 7
CHU TRÌNH CỦA KHÍ THỰC
7.1. Chu trình Carnot hơi nước

Ở chương 5 ta đã biết chu trình Carnot thuận chiều là chu trình có hiệu suất nhiệt cao
nhất. Về mặt kĩ thuật, dùng khí thực trong
phạm vi bão hòa có thể thực hiện được chu
trình Carnot và vẫn đạt được hiệu suất nhiệt
lớn nhất khi ở cùng phạm vi nhiệt độ. Chu
trình Carnot áp dụng cho khí thực trong vùng
hơi bão hòa được biểu diễn trên hình 7-1. Tuy
nhiên, đối với khí thực và hơi nước thì việc
thực hiện chu trình Carnot rất khó khăn, vì
những lý do sau đây:
- Quá trình hơi nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ
thành nước (quá trình 2-3) sẽ thực hiện không
hoàn toàn. Muốn nén đoạn nhiệt hơi ẩm theo
qúa trình 3-4, cần phải có máy nén kích thước
rất lớn và tiêu hao công rất lớn.
- Nhiệt độ tới hạn của nước thấp (374,15
o
C ) nên độ chênh nhiệt độ giữa nguồn nóng và
nguồn lạnh của chu trình không lớn lắm, do đó công của chu trình nhỏ.
- Các giọt ẩm của hơi sẽ va đập vào cánh tuabin gây tổn thất năng lượng và ăn mòn và mài
mòn nhanh cánh Tuabin.
7.2. Chu trình Rankine (chu trình nhà máy nhiệt điện)
Như đã phân tích ở trên, tuy có hiệu suất nhiệt cao nhưng chu trình Carnot có một số
nhược điểm khi áp dụng cho khí thực, nên trong thực tế người ta không áp dụng chu trình này
mà áp dụng một chu trình cải tiến gần với chu trình này gọi là chu trình Rankine. Chu trình

Rankine là chu trình thuận chiều, biến nhiệt thành công.













Chu trình Rankine là chu trình nhiệt được áp dụng trong tất cả các lọai nhà máy nhiệt điện,
môi chất là nước. Tất cả các thiết bị của các nhà máy nhiệt điện đều giống nhau trừ thiết bị
sinh hơi I. Trong thiết bị sinh hơi, nước nhận nhiệt để biến thành hơi. Đối với nhà máy nhiệt
điện thiết bị sinh hơi là lò hơi, trong đó nước nhận
nhiệt từ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Đối với nhà máy điện mặt trời hoặc địa nhiệt, nước
nhận nhiệt từ năng lượng mặt trời hoặc từ nhiệt năng trong lòng đất. Đối với nhà máy điện
nguyên tử, thiết bị sinh hơi là thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó nước nhận nhiệt từ chất tải nhiệt
trong lò phản ứng hạt nhân ra.
Sơ đồ thiết bị của chu trình Rankine được trình bày trên hình 7-2. Đồ thị T-s của chu trình
được biểu diễn trên hình 7-2.

Hình 7-1. Chu trình Carnot của hơi nước

Hình 7-2. Sơ đồ chu trình nhà máy nhiệt điện
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
116

Nước ngưng trong bình ngưng IV (ở trạng thái 2’ trên đồ thị) có thông số p
2
, t
2
, i
2
được bơm
V bơm vào thiết bị sinh hơi I với áp suất p
1
(quá trình 2’-3).

Trong thiết bị sinh hơi, nước trong các ống sinh hơi nhận nhiệt đẳng áp đến sôi (quá trình 3-
4), hoá hơi (quá trình 4-5) và thành hơi quá nhiệt trong bộ quá nhiệt II (quá trình 5-1). Quá
trình 3-4-5-1 là quá trình hóa hơi đẳng áp ở áp suất p
1
= const. Hơi ra khỏi bộ quá nhiệt II (ở
trạng thái 1) có thông số p
1
, t1 đi vào tuabin III, ở đây hơi dãn nở đoạn nhiệt đến trạng thái 2
(quá trình 1-2) và sinh công trong tuabin. Hơi ra khỏi tuabin có thông số p2, t2, đi vào bình
ngưng IV, ngưng tụ thành nước (quá trình 2-2’), rồi lại được bơm V bơm trở về lò. Quá trình
nén đoạn nhiệt trong bơm có thể xem là quá trình nén đẳng tích vì nước không chịu nén (thể
tích ít thay đổi).
7.2.1. Xác định hiệu suất nhiệt
Công thức chung:
1
2
1
21

1
o
t
q
q
1
q
qq
q
l
−=
−
==η
Trong đó:
q
1
- lượng nhiệt nhận vào của chu trình. Quá trình 3-4-5-1 là quá trình đun nước đến
nhiệt độ sôi, hoá hơi và quá nhiệt cho hơi trong điều kiện áp suất không thay đổi cho nên q
1
=
q
3451
= ∆i = i
1
– i
3
= i
1
– i
3

(7-1)
q
2
- lượng nhiệt thải ra môi trường có nhiệt độ thấp. Quá trình 2-2’ là quá trình ngưng
hơi đẳng nhiệt, đẳng áp cho nên: q
22’
= i
2’
– i
2
. (7-2)
Công của chu trình là:
o1212
lqqii
=−=−
(7-3)
Hiệu suất nhiệt của chu trình sẽ là:
o
12
t
113
l
ii
qii
−
η==
−
(7-4)
7.2.2. Các biện pháp nâng cao hiệu suất của chu trình
Hiệu suất nhiệt của chu trình Rankine cũng có thể biểu thị bằng hiệu suất

chu trình Carnot tương đương:

1
2
c
max
t
T
T
1−=η=η (7-5)
Từ (7-5) ta thấy: hiệu suất nhiệt của chu trình khi giảm nhiệt độ trung bình T
2tb
của quá trình
nhả nhiệt trong bình ngưng hoặc tăng nhiệt độ trung bình T
1tb
của quá trình cấp nhiệt trong lò
hơi.
* Giảm nhiệt độ trung bình của quá trình nhả nhiệt T
2tb

Hình 7-3 biểu diễn chu trình Rankine
có áp suất cuối giảm từ p
2
xuống p
2o
,
khi nhiệt độ đầu t
1
và áp suất đầu p
1

không thay đổi. Khi giảm áp suất
ngưng tụ p
2
của hơi trong bình ngưng,
thì nhiệt độ bão hòa t
s
cũng giảm theo,
do đó nhiệt độ trung bình T
2tb
của quá
trình nhả nhiệt giảm xuống. Theo (7-5)
thì hiệu suât nhiệt η
t
của chu trình tăng
lên. Tuy nhiên, nhiệt độ t
s
bị giới hạn
bởi nhiệt độ nguồn lạnh (nhiệt độ nước
làm mát trong bình ngưng), do đó áp
suất cuối của chu trình cũng không thể
xuống quá thấp, thường từ 2 kPa đến
5kPa tùy theo điều kiện khí hậu từng
vùng. Mặt khác, khi giảm áp suất p
2

xuống thì độ ẩm của hơi ở các tầng cuối tuabin cũng giảm xuống, sẽ làm giảm hiệu suất và
tuổi thọ tuabin, do đó cũng làm giảm hiệu suất chung của toàn nhà máy.

Hình 7-3. Ảnh hưởng của áp suất cuối

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
117

* Nâng cao nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt T
1tb

Để nâng nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt T
1tb
, có thể tăng áp suất đầu p
1
hoặc nhiệt
độ đầu t
1
.

- Hình 7- 4 biểu diễn chu trình Rankine có nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng từ t
1
lên t
10
khi áp suất
hơi quá nhiệt p
1
và áp suất cuối p
2
không đổi. Khi đó nhiệt độ trung bình T
1tb
của quá trình
cấp nhiệt 3451 tăng lên, do đó theo (7-4) thì hiệu suất nhiệt η
t
của chu trình tăng lên.
- Hình 7-4 biểu diễn chu trình Rankine có áp suất đầu tăng từ p
1
đến p
10
, khi nhiệt độ
hơi quá nhiệt t
1
và áp suất cuối p
2
không thay đổi. Nếu giữ nguyên nhiệt độ hơi quá nhiệt t
1
và
áp suất cuối p
2
, tăng áp suất p

1
thì nhiệt độ sôi của quá trình 4-5 tăng, do đó nhiệt độ trung
bình T
1tb
của quá trình cấp nhiệt 3451 cũng tăng lên trong khi T
2tb
giữ nguyên, dẫn đến hiệu
suất nhiệt η
t
của chu trình tăng lên. Tuy nhiên, khi tăng áp suất p
1
thì độ khô của hơi các tầng
cuối tuabin sẽ giảm, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ tuabin. Khi tăng nhiệt độ đầu thì độ ẩm
giảm, nhưng tăng áp suất đầu thì độ ẩm tăng. Do đó trên thực tế người ta thường tăng đồng
thời cả áp suất và nhiệt độ đầu để tăng hiệu suất chu trình mà độ ẩm không tăng, nên hiệu suất
của chu trình Rankine thực tế sẽ tăng lên. Chính vì vậy, ứng với một giá trị áp suất đầu người
ta sẽ chọn nhiệt độ đầu tương ứng, hai thông số này gọi là thông số kết đôi.
7.3. Chu trình Rankine có quá nhiệt trung gian
Muốn nâng cao hiệu suất nhiệt càng tăng áp suất p
1
và giảm áp suất cuối p
2
, nhưng khi
đó độ ẩm của hơi nước ở các tầng cánh cuối của tuabin sẽ tăng, ảnh hưởng không tốt đến hiệu
suất, năng suất và độ bền của tuabin. Độ ẩm cho phép hiện nay không quá 14%. Nếu tăng t
1

thì tăng được hiệu suất nhiệt, vừa giảm độ ẩm ở các tầng cánh cuối của tuabin, nhưng nhiệt độ
t
1

bị hạn chế bởi độ bền vật liệu và chế độ vận hành nên hiện nay nhiệt độ không vượt quá
650
o
C. Để giảm bớt độ ẩm ta có thể sử dụng chu trình có quá nhiệt trung gian, hơn nữa nếu
chọn nhiệt độ quá nhiệt trung gian thích hợp có thể nâng cao hiệu suất của chu trình.
7.3.1. Hệ thống thiết bị và chu trình
Hệ thống thiết bị không khác mấy so với chu trình Rankine cơ bản, chỉ khác ở thiết bị
sinh hơi, ngoài bộ quá nhiệt còn có bộ quá nhiệt trung gian 1b để cấp nhiệt cho hơi nước sau
khi giãn nở trong phần tuabin cao áp 2a trước khi đi vào phần tuabin hạ áp 2b( hình 7-5).
Tương ứng, chu trình khác ở quá trình cấp nhiệt đẳng áp gồm giai đoạn 31’1’’1 giống như
trước, thêm giai đoạn ab. Quá trình giãn nở cũng chia thành hai giai đoạn 1a trong phần
tuabin cao áp và b2 trong phần tuabin hạ áp. Có thể giãn nở và gia nhiệt trung gian nhiều lần,
nhưng xét về kinh tế kỹ thuật thường dùng không quá hai lần.
7.3.2. Công, nhiệt lượng, hiệu suất và suất tiêu hao hơi
Công của chu trình có thể tính theo tổng đại số công giãn nở của các quá trình 31; ab;
b2 và 22’; hoặc tổng công kỹ thuật của các quá trình 2’3; 1a; b2 hoặc tổng đại số nhiệt lượng
của các quá trình 31; ab và 22’ kết quả được:

s s
Hình 7-4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu và áp suất đầu
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
118

Công của chu trình:
l
o
=( i
1
-i
a

) + (i
b
-i
2
) – (i
3
-i
2’
) ≈( i
1
-i
a
) + (i
b
-i
2
) vì coi i
3
=i
2’
(7-6)
Nhiệt lượng cấp vào:
q
1
=(i
1
-i
3
)+(i
b

-i
a
) (7-7)
Nhiệt lượng thải ra:
q
2
=i
2
-i
2’
Hiệu suất của chu trình:

(
)
(
)
()()
1ab2
T
13ba
iiii
iiii
−+−
η=
−+−
(7-8)
Suất tiêu hao hơi:
()()
1ab2
1

d
iiii
=
−+−
; (kg/kJ) (7-9a)
hoặc:
()()
1ab2
3600
d
iiii
=
−+−
; (kg/kW.h) (7-9b)













7.4. Chu trình hồi nhiệt và chu trình trích hơi gia nhiệt nước cấp
Chu trình hồi nhiệt lý tưởng cũng có hiệu suất bằng hiệu suất của chu trình Carnot.
Chu trình khí thực trong phạm vi bão hòa, về mặt kỹ thuật có thể thực hiện chu trình hồi nhiệt

lý tưởng và hiệu suất nhiệt vẫn bằng hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot, nhưng trong thực tế
vẫn rất khó thực hiện chu trình hồi nhiệt hoàn toàn, vừa giãn nở sinh công, vừa nhả nhiệt cho
môi chất; cho nên trong thực tế thường thay thế bằng chu trình trích hơi gia nhiệt nước cấp.
7.4.1. Hệ thống thiết bị và chu trình:
Thiết bị sinh hơi 1, bình ngưng 3, tuabin 2, chia thành ba giai đoạn: 2a-cao áp. 2b-
trung áp và 2c-hạ áp; ngoài bơm 4 còn thêm hai bơm 4a và 4b; hai bình gia nhiệt 5a và 5b
dùng hơi trích từ tuabin để gia nhiệt nước cấp.













Hình 7-5. Sơ đồ thiết bị và chu trình Rankine có quá nhiệt trung gian

Hình 7-6. Chu trình trích hơi gia nhiệt nước cấp
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
119

Nguyên lý làm việc của chu trình như sau:
1 kg nước cấp từ trạng thái 3a qua thiết bị sinh hơi 1 được cấp nhiệt đẳng áp theo quá trình
31’1’’1, tiếp đó vào tuabin 2, sau phần cao áp 2a thì trích ra g
1

kg hơi đưa vào bình gia nhiệt
5a để tiến hành quá trình thải nhiệt đẳng áp 2a2’a cấp nhiệt cho (1-g
1
) kg nước cấp từ trạng
thái 3
b
đến 2’
a
.
(1-g
1
) kg hơi nước đi tiếp qua tuabin trung áp 2b để tiếp tục giãn nở đoạn nhiệt 2
a
2
b
sinh công,
lại trích tiếp g
2
kg hơi ở áp suất p
2b
đưa vào bình gia nhiệt 5b, thải nhiệt cho nước cấp và
ngưng tụ thành nước 2’
b
và cấp nhiệt cho (1-g
1
-g
2
) kg nước cấp từ trạng thái 3 đến 2’
b.
(1-g

1
-g
2
) kg hơi nước đi tiếp qua tuabin hạ áp 2c để tiếp tục giãn nở đoạn nhiệt đến áp suất p
2
,
đi vào bình ngưng 3, thải nhiệt ra môi trường bên ngoài theo quá trình 22’ và được bơm 4
bơm đoạn nhiệt theo quá trình 2’3; đưa vào bình gia nhiệt 5b được cấp nhiệt đẳng áp đến 32’
b

rồi hỗn hợp với g
2
kg nước ngưng trong bình gia nhiệt 5b tạo thành nước ở trạng thái 3
b
cùng
đi vào 5a để cấp nhiệt theo quá trình 3
b
2’
a,
tất cả qua bơm đến trạng thái 3
a
vào thiết bị sinh
hơi để kết thúc một chu trình.
Ở đây, cần dựa vào sự cân bằng nhiệt trong các bộ gia nhiệt 5a và 5b để tính lượng hơi trích
g
1
và g
2
.
Trong bình gia nhiệt 5b, lượng nhiệt do g

2
kg hơi trích thải ra trong quá trình ngưng tụ phải
vừa đủ để gia nhiệt (1-g
1
-g
2
) kg nước ngưng từ trạng thái 3 thành nước bão hòa 2’
b
, nghĩa là:
g
2
(i
2b
-i’
2b
) = (1-g
1
-g
2
)(i’
2b
-i
3
)
Trong bình gia nhiệt 5a, lượng nhiệt do g
1
kg hơi trích thải ra trong quá trình ngưng tụ phải
vừa đủ gia nhiệt (1-g
1
) kg nước từ trạng thái 3b thành nước bão hòa ở trạng thái 2’

a
.
Ta có:
g
1
(i
2a
-i’
2a
) = (1-g
1
)(i’
2a
-i
3b
)
Từ đó rút ra:
'
2a3b
1
2a3b
ii
g
ii
−
=
−
(7-10a)
và:
'

2b3
2
2b3
ii
g
ii
−
=
−
(7-10b)

7.4.2. Công, nhiệt lượng, hiệu suất và suất tiêu hao hơi
Công sinh ra trong các quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong các cấp tuabin:
l
o
=1( i
1
-i
2a
) + (1-g
1
)(i
2a
-i
2b
) +(1-g
1
-g
2
)(i

2b
-i
2
)
Nếu đặt g=1-g
1
-g
2
ta được:
l
o
= i
1
– i
2a
g
1
–i
2b
g
2
–i
2
g (7-11a)
Công dùng để bơm thường rất nhỏ nhưng có thể tính:
l
b
= (1-g
1
-g

2
)(i
3b
-i
2
)+(1-g
1
)(i
3a
-i’
2b
) + 1.(i
3
–i’
2a
)
Nhiệt lượng cấp vào:
q
1
=(i
1
-i
3
)≈i
1
-i’
2a
(7-11b)
Nhiệt lượng thải ra:
q

2
= (1-g
1
-g
2
)(i
2
-i’
2
) (7-11c)
Hiệu suất của chu trình:

()
o12a12b22
T
113
liigigig
qii
−−−
η==
−
(7-12a)

Suất tiêu hao hơi:
o12a12b22
11
d
liigigig
==
−−−

; (kg/kJ) (7-12b)
Chu trình gia nhiệt nước cấp được dùng khá rộng rãi vì:
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
120

1. Có thể nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình, áp suất đầu càng cao, số lần gia nhiệt
càng nhiều thì hiệu quả càng cao, nhưng thiết bị phức tạp hơn nên thường chọn 3 đến
5 lần, hiện đại có thể đến 10 lần.
2. Giảm được kích thước của tuabin ở các tầng cánh cuối vì lượng hơi nước đi qua giảm.
3. Có thể giảm hoặc bỏ hẳn bộ hâm nước.
7.5. Nhà máy điện dùng chu trình kết hợp Tuabin khí - hơi
7.5.1. Sơ đồ thiết bị và nguyên lý hoạt động
Chu trình hỗn hợp là một chu trình ghép, gồm chu trình Rankine hơi nước và chu trình
Tuabin khí. Sơ đồ thiết bị và đồ thị T-s của chu trình được thể hiện trên hình 7-7. Hệ thống
thiết bị bao gồm: thiết bị sinh hơi 1 (buồng đốt); tuabin hơi nước 2; bình ngưng hơi 3; bơm
nước cấp 4; bộ hâm nước 5; tuốc bin khí 6; máy nén không khí 7.

Nguyên lý làm việc của chu trình thiết bị như sau: Không khí được nén đoạn nhiệt
trong máy nén 7 đến áp suất và nhiệt độ cao, được đưa vào buồng đốt 1 cùng với nhiên liệu và
cháy trong buồng đốt dưới áp suất cao, không đổi. Sau khi nhả một phần nhiệt cho nước trong
dàn ống của buồng đốt 1, sản phẩm cháy đi vào tuabin khí 6, giãn nở sinh công. Ra khỏi tua
bin khí, sản phẩm cháy có nhiệt độ còn cao, tiếp tục đi qua bộ hâm nước 5, gia nhiệt cho nước
rồi thải ra ngoài.
Nước được bơm 4 bơm qua bộ hâm nước 5, vào dàn ống của buồng đốt 1. Ở đây nước
nhận nhiệt và biến thành hơi quá nhiệt. Hơi quá nhiệt đi vào tuabin hơi 2, giãn nở đoạn nhiệt
và sinh công. Ra khỏi tuabin, hơi đi vào bình ngưng 3 nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành nước
rồi được bơm 4 bơm trở về lò, lặp lại chu trình cũ.
Đồ thị T-s của chu trình nhiệt được biểu diễn trên hình 7-7. Nhiệt lượng do nhiên liệu
cháy tỏa ra trong quá trình b-e chia thành hai phần: một phần dùng để sản xuất hơi nước trong
thiết bị sinh hơi 1, một phần cấp cho tuốc bin khí 6; a-b: quá trình nén đoạn nhiệt không khí
trong máy nén khí 7; b-c: quá trình cấp nhiệt (cháy) đẳng áp trong buồng đốt 1; c-d: quá trình
giãn nở đoạn nhiệt sinh công trong tuốc bin khí 6; d-a: quá trình nhả nhiệt đẳng áp trong bộ
hâm nước 5; 3-1’-1”-1: quá trình nước nhận nhiệt đẳng áp trong bộ hâm 5 và buồng đốt 1;
1-2; 2-2’; 2’-3 là các quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong tuốc bin, ngưng đẳng áp trong bình
ngưng, nén đoạn nhiệt trong bơm như ở chu trình Rankine.
7.5.2. Tính nhiệt, công và hiệu suất của chu trình
Ta tính ứng với 1 kg hơi nước. Để lượng nhiệt thải ra của tuabin khí đủ gia nhiệt nước
cấp đến trạng thái 4, khi dùng 1 kg hơi nước cần dùng m kg sản phẩm cháy tính theo phương
trình cân bằng nhiệt:
m(i
d
–i
a
) = i
4

– i
3


43
da
ii
m
ii
−
=
−
(7-13)

Hình 7-7. Chu trình kết hợp tuabin khí - hơi
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
121

Nhiệt lượng cấp vào là nhiệt lượng cấp cho tuabin khí theo quá trìn b-c và gia nhiệt
đẳng áp cho hơi nước theo quá trình 41’1’’1:
q
1
= (i
1
– i
4
) + m(i
c
–i
b

) (7-14a)
Nhiệt lượng thải ra là của quá trình 22’:
q
2
= i
2
– i
2’
(7-14b)
Nhiệt lượng do quá trình d-a thải ra cung cấp để hâm nước theo quá trình 34 nên
không tính vào nhiệt lượng trao đổi với nguồn.
Công của chu trình có thể vẫn tính theo:
o12
lqq
=− , nhưng để rõ thêm ý nghĩa vật lý, ta tính
theo công thức của từng chu trình ứng với 1 kg hơi nước:
l
o
= [(i
1
– i
2
) +m(i
c
– i
d
)]-[( i
4
– i
3

)+m(i
b
–i
a
)] (7-14c)
Hiệu suất nhiệt của chu trình kết hợp là:

o12cd43ba
t
114cb
l(ii)m(ii)(ii)m(ii)
q(ii)m(ii)
−+−−−−−
η==
−+−
(7-15)
7.6. Chu trình làm lạnh dùng máy nén hơi
* Như ở trên đã giới thiệu: để nhận được lạnh theo phương pháp nhân tạo từ xưa tới
nay có rất nhiều cách. Riêng thiết bị làm lạnh có rất nhiều loại:
Thiết bị lạnh dùng máy nén (hơi và khí ), thiết bị lạnh kiểu hấp thụ, máy lạnh kiểu
phun (ejecto), thiết bị lạnh kiểu nhiệt điện
* Nhưng nói đến thiết bị lạnh ta phải quan tâm trước tiên đến loại thiết bị lạnh dùng
máy nén, nhất là thiết bị lạnh dùng máy nén hơi. Thiết bị lạnh nén hơi chiếm 90% đến 95%
tổng số thiết bị lạnh.
Sở dĩ thiết bị lạnh nén hơi chiếm vị trí quan trọng như vậy vì chúng có những ưu điểm
cơ bản sau:
- Ứng dụng thuận lợi vào mọi trường hợp có nhu cầu về lạnh
- Tổ hợp máy nén động cơ gọn nhẹ đơn giản
- Khoảng nhiệt độ và công suất lạnh gần như không giới hạn, đáp ứng mọi nhu cầu
khác nhau.

- Thiết bị làm việc với độ an toàn, tin cậy cao, có khả năng tự động hoá cao v.v
* Để đánh giá hiệu quả của một chu trình ngược chiều người ta dùng hệ số làm lạnh ε.
Chu trình ngược chiều Carnot là chu trình có hệ số làm lạnh cao nhất so với các chu trình
khác có cùng nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh
- Với chu trình Carnot ta có hệ số làm lạnh:

21
2
C
TT
T
−
=ε
Trong đó:
- T
1
là nhiệt độ nguồn nóng (nhiệt độ quá trình ngưng hơi - nhả nhiệt cho nên ở
đây ta ký hiệu là T
k
).
- T
2
là nhiệt độ nguồn lạnh (trong bình bốc hơi chất môi giới nhận nhiệt của
nguồn lạnh bay hơi ta ký hiệu là T
0
).
Do đó:
0k
0
C

TT
T
−
=ε
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
122

Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot là lớn nhất nên được coi là hệ số làm lạnh lý
tưởng và được dùng để so sánh hiệu quả của các chu trình ngược chiều khác nhau. Để làm
điều đó người ta đưa ra khái niệm hiệu suất execgi (hiệu suất hữu ích có thể đạt được) ta ký
hiệu là ν:

0
0k
C
T
TT
.
−
ε=
ε
ε
=ν
Trong đó: - ε - hệ số làm lạnh của chu trình thực tế.
- ε
C
- hệ số làm lạnh của chu trình Carnot (chu trình lý tưởng).
7.6.1. Chu trình Carnot
Chu trình ngược chiều Carnot là chu trình có hệ số làm lạnh ε
C

là lớn nhất nhưng
trong thực tế người ta không sử dụng nó vào thiết bị làm lạnh vì nó có những nhược điểm sau:
- Để thực hiện hai quá trình hoá hơi đẳng nhiệt và nhả nhiệt đẳng nhiệt phải thực hiện
chu trình hoàn toàn trong vùng hơi bão hoà (như hình vẽ).
- Trạng thái 1 của môi chất (trước khi được nén
đoạn nhiệt) là hơi bão hoà ẩm. Độ ẩm của nó phải
điều chỉnh sao cho để cuối quá trình nén có trạng
thái 2 là hơi bão hoà khô. Mặt khác việc nén hỗn hợp
vừa hơi và nước là điều rất khó khăn, cả hai đều rất
khó thực hiện.
- Quá trình 3-4: giãn nở đoạn nhiệt đòi hỏi phải
có xy lanh giãn nở, tuy có sinh ngoại công nhưng
thiết bị cồng kềnh phức tạp, chi phí đầu tư lớn.
Chu trình ngược chiều dùng cho máy nén
hơi là một chu trình đã được cải tiến:
+ Máy nén: nén hơi bão hoà khô
+ Xy lanh giãn nở được thay bằng thiết bị tiết lưu
Đối với thiết bị làm lạnh môi chất là khí thực trong khoảng nhiệt độ thường gặp quá trình tiết
lưu làm áp suất và nhiệt độ môi chất giảm.
Như vậy, thiết bị này rất đơn giản vận hành thuận lợi, giá thành hạ. Nó được gọi là chu
trình thiết bị làm lạnh khô dùng chủ yếu cho môi chất là Amoniac.
Trạng thái 1 của môi chất luôn là hơi bão hoà khô, việc tách ẩm nhờ thiết bị tách ẩm bố trí
giữa máy nén và bình bốc hơi (buồng lạnh).
2

3

q
k
s

1

4

q
o

T

T
k
T
o
K

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
123

MN
NT
BH
TL
7.6.2. Chu trình làm lạnh khô:
a. Sơ đồ thiết bị:
TL: Thiết bị tiết lưu.
MN: Máy nén.
NT: Bình ngưng tụ.
BH: Bình bốc hơi.

b. Đồ thị (T - s) và (lgp - i)











Chu trình khô gồm các quá trình sau:
1-2: Nén đoạn nhiệt (s
1
= s
2
) xảy ra trong vùng hơi quá nhiệt.
2-2': Nhả nhiệt đẳng áp nhiệt độ giảm từ t
2
xuống t
k
(nhiệt độ ngưng tụ ở áp suất p
k
).
2'-3: Quá trình ngưng hơi đẳng áp, đẳng nhiệt trong bình ngưng hơi nhả nhiệt cho môi
trường không khí hoặc nước làm mát.
3-4: Quá trình tiết lưu môi chất lỏng i
3
= i

4
, áp suất giảm từ p
k
xuống p
o
. Quá trình tiết
lưu là đoạn nhiệt không thuận nghịch nên entropi tăng s
4
> s
3

4-1: Quá trình hoá hơi đẳng áp, đẳng nhiệt nhận nhiệt của vật cần làm lạnh.
* Năng suất lạnh riêng:
Nhiệt lượng 1(kg) môi chất nhận được trong buồng lạnh (ứng với quá trình hoá hơi ) được gọi là năng
suất lạnh riêng của chu trình kí hiệu là q
o
:
q
o
= i
1
- i
4
; (kJ/kg) (7-16)
* Năng suất lạnh của thiết bị :
Q
o
= m.q
o
(Kw)

m: khối lượng môi chất lạnh được nén trong một đơn vị thời gian 1(giây)
*Công nén đoạn nhiệt:
Công của chu trình:
l
o
= q
k
- q
o
(7-17)
Trong đó:
q
k
: nhiệt lượng của 1(kg) môi chất nhả cho nguồn nóng trong bình ngưng.
q
k
= i
2
- i
3
T

S
1
=const

T
0
p
0

i= const

4

1

K

3

i

lgp

q
0
5 6

7

s

2'

2

2''

1

3

4'

4

K

Hình 7-8. Chu trình làm lạnh khô
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
124

l
o
= q
k
- q
o
= i
2
- i
3
- (i
1
- i
4
) = i
2
- i
1

do i
3
= i
4
(3-4: là quá trình tiết lưu)
Công nén đoạn nhiệt:
N
s
= m.l = m(i
2
– i
1
)
* Hệ số làm lạnh của chu trình khô:

l
q
o
=ε =
12
31
12
41
ii
ii
ii
ii
−
−

=
−
−
(7-18)
Vì q
o
< q
oC

l
o
> l
oC

Trên đồ thị T-s :
q
oC
- Biểu diễn bằng dt(4'571) < q
o
- Biểu diễn bằng dt(4671)
Do đó:
ε < ε
C

* Hiệu suất execgi của chu trình :
1
C
<
ε
ε

=ν (7-19)
Trong đó:
ε
C
- hệ số làm lạnh của chu trình Carnot
Ví dụ 1
Một máy lạnh nén hơi có hiệu suất execgi ν = 0,8 năng suất lạnh Q
o
= 10(Kw), t
o
= -10
o
C,
t
k
= 30
o
C. Xác định hệ số làm lạnh ε và công nén đoạn nhiệt N
s
.
Giải:
Từ biểu thức:
26,5
263303
263
.8,0
TT
T
ok
o

c
c
=
−
=
−
ν=νε=ε→
ε
ε
=ν
)Kw(9,1
26,5
10
Q
N
N
Q
l
q
o
s
s
o
o
o
==
ε
=→==ε
Ví dụ 2:
Một chu trình máy lạnh nén hơi

làm việc ở nhiệt độ ngưng tụ t
k
= 30
o
C và
nhiệt độ bay hơi t
o
= - 10
o
C môi chất là
amoniac. Hãy xác định các thông số áp
suất, nhiệt độ, entanpi, entropi của các
điểm nút của chu trình . Hệ số lạnh và hiệu
suất execgi cho hai trường hợp:
a. Chu trình Carnot ngược chiều
b. Chu trình khô
Giải
+Với chu trình Carnot:
Sử dụng đồ thị lgp-i:
lgp
i
D 4 A 1
B 2
K
C
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
125

Chu trình Carnot : abcd
Chu trình khô :1234

* Điểm B và C lần lượt là giao điểm của đường t
k
= 30
o
C với đường giới hạn x = 1 và x = 0
* Điểm A và điểm D là giao điểm của đường t
o
= -10
o
C với đường đoạn nhiệt qua B
và đường đoạn nhiệt qua C.
+ Tương tự ta xác định các điểm 1, 2, 3, 4 của chu trình khô. Sau khi xác định được
các điểm ABCD&1, 2, 3, 4 trên đồ thị lgp - i ta có trị số tại các điểm trên:
Chu trình Carnot Chu trình khô
Trạng
thái
P
(MPa)
t
o
C i
(kj/kg)
s
(kj/kg
o
K)
Trạng
thái
P
(MPa)

t
o
C i
(kj/kg)
s
(kj/kg
o
K)
A
B
C
D
0,29
1,17
1,17
0,29
-10
30
30
-10
1620
1780
635
625
5,3
5,3
1,48
1,48
1
2

3
4
0,29
1,17
1,17
0,29
-10
87
30
-10
1748
1940
635
635
5,77
5,77
1,48
1,55

Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot:
6,6
263303
263
TT
T
ok
o
C
=
−

=
−
=ε
Hoặc :

()()
6,6
iiii
ii
DACB
DA
C
=
−−−
−
=ε

Hệ số làm lạnh của chu trình khô:
8,5
ii
ii
12
41
=
−
−
=ε
Hiệu suất execgi:
88,0
6,6

8,5
C
==
ε
ε
=ν
7.6.3. Chu trình quá lạnh - quá nhiệt
a/ Khái niệm
Chu trình được gọi là quá lạnh khi nhiệt độ của môi chất lỏng trước khi đi
vào van tiết lưu nhỏ hơn nhiệt độ ngưng tụ (t
k
) và gọi là chu trình quá nhiệt khi nhiệt độ
hơi hút về máy nén lớn hơn nhiệt độ bay hơi( t
o
). Trạng thái của hơi hút nằm trong vùng
hơi quá nhiệt.
Để khắc phục các mặt hạn chế của chu trình khô (mất đi phần công giãn nở do việc
thay xylanh giãn nở bằng van tiết lưu) và tăng nhiệt độ của môi chất cuối quá trình nén ở tỉ số
nén đã cho, người ta tiến hành làm lạnh môi chất trước khi vào van tiết lưu(quá lạnh) và quá
nhiệt cho môi chất trước khi được hút vào máy nén.
* Quá trình quá lạnh môi chất
Nguyên nhân quá lạnh có thể do:
- Có bố trí thiết bị quá lạnh lỏng sau thiết bị ngưng tụ.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
126

- Thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng nên môi chất lạnh được quá
lạnh ngay ở thiết bị ngưng tụ.
- Do môi chất toả nhiệt ra môi trường trên đoạn đường ống từ thiết bị ngưng tụ đến
van tiết lưu.

Trên đồ thị quá trình quá lạnh đẳng áp (p
k
= const) được biểu diễn bằng đoạn 3’-3 (do
quá trình đẳng áp trên đồ thị T-s vùng chưa sôi trùng với đường giới hạn dưới x = 0). Rõ ràng
thấy rằng việc quá lạnh cho môi chất trước van tiết lưu tăng năng suất lạnh của chu trình lên
một lượng biểu diễn bằng diện tích(544’6) còn công tiêu tốn không thay đổi.
*Quá trình quá nhiệt môi chất:
Việc quá nhiệt cho môi chất trước khi được hút vào máy nén được tiến hành do:
- Sử dụng van tiết lưu nhiệt, hơi ra khỏi thiết bị bay hơi bao giờ cũng có một độ quá
nhiệt nhất định.
- Do tải nhiệt quá lớn và thiếu lỏng cấp cho thiết bị bay hơi.
- Do tổn thất lạnh trên đường ống từ thiết bị bay hơi đến máy nén.

TL: van tiết lưu; QL: thiết bị quá lạnh môi chất; BH: bình bốc hơi;
Q
k
Q
o
BH
TL
QL
NT
MN
4 1'

1
2'
3'
3
lgp

i

2

1

2'

3'

3

4 4'


∆
t
ql
1'


∆
t
qn

∆
t
qn

∆
t
ql
s

1

2
2'
1'

4 4'

∆
q
o
T
3’
3

5 6

Hình 7-9. Chu trình làm lạnh quá lạnh – quá nhiệt
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
127

MN: máy nén
Quá trình 1 - 1' độ quá nhiệt hơi hút
3 - 3' độ quá lạnh lỏng trước khi vào van tiết lưu
Độ quá nhiệt hơi hút :
∆t
qn
= t
1
- t
1'

= t
1
- t
o
(7-20a)
Độ quá lạnh lỏng:
∆t
ql
= t
3'
- t
3
= t
k
- t
3
(7-20b)
So sánh với chu trình khô ta thấy:
- Do có độ quá nhiệt hơi hút nên công nén riêng lớn hơn chút
ít ,năng suất hút cũng giảm chút ít do có thể tích riêng v tăng. Công nén riêng l = i
2
- i
1

- Do có độ quá lạnh lỏng nên năng suất lạnh riêng tăng một khoảng ∆q
o
.
Năng suất lạnh riêng:
q
o

= i
1'
- i
4

Nếu nhiệt độ buồng lạnh cao hơn t
1
hoặc thiết bị bay hơi là ngược dòng có thể tính:
q
o
= i
1
- i
4

b/ Tính toán
Đồ thị: T-s và lgp-i

- Đồ thị: T -s
+ Quá trình 1-2: nén đoạn nhiệt môi chất lạnh (môi chất ở trạng thái hơi quá nhiệt ).
+ Quá trình 2-3: nhả nhiệt đẳng áp cho môi trường trong bình ngưng (2-2’: làm lạnh
hơi quá nhiệt, 2’-3’: ngưng hơi, 3’-3: quá trình quá lạnh môi chất lỏng)
+ Quá trình 3-4: tiết lưu môi chất lỏng (entanpi không đổi)
+ Quá trình 4-1: nhận nhiệt của môi chất và hoá hơi(4-1’) sau đó quá nhiệt môi chất
(1-1’).
Trên đồ thị T-s ta thấy: năng suất lạnh q
0
được biểu diễn bằng diện tích (c41a), nhiệt môi chất
nhả trong bình ngưng q
k
biểu diễn bằng diện tích (a23b), công tiêu tốn để thực hiện chu trình
l
o
được biểu diễn bằng diện tích (c4123b).
Bằng các diện tích trên đồ thị T-s ta thiết lập được các cân bằng sau:
q
o
+ l
o
= q
k

- Đồ thị lgp-i:
Nhiệt môi chất nhả ra (ngưng hơi đẳng áp), nhận vào (hoá hơi), công được xác
định theo các hiệu số của entanpi tại các điểm đặc trưng cho từng chu trình:
q
o

= i
1
- i
4
; q
k
= i
2
- i
3
; l
o
= i
2
- i
1

lgp

i

2

1

2'

3'

3

4 4'


∆
t
ql
1'


∆
t
qn

∆
t
qn

∆
t
ql
s

1

2
2'
1'

4 4'

∆
q
o
T
3’
3

b c c’

a

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
128

Trên đồ thị lgp - i : q
o
, q
k
, l
o
được biểu diễn bằng các đoạn thẳng trên trục hoành
Thực tế, quá trình quá nhiệt hoá hơi (1’-1) thường được thực hiện trong bình bốc
hơi, trên đoạn ống dẫn từ bình bốc hơi tới máy nén. Như vậy, hiệu quả làm lạnh được
thực hiện chỉ bởi quá trình hoá hơi 4-1’. Do đó, năng suất lạnh thực tế q
o
= i
1’
- i
4

. Hơn
nữa với môi chất amoniac hiệu quả quá nhiệt là không đáng kể cho nên có thể bỏ qua. Tức
là, ta thừa nhận hơi đi ra khỏi bình bốc hơi là hơi bão hoà khô. Với các máy dùng môi chất
là Freon nhất thiết phải tính đến độ quá nhiệt hơi vì với các máy loại này người ta đưa
vào một thiết bị trao đổi nhiệt giữa hơi ra khỏi bình bốc hơi và môi chất lỏng đi vào van
tiết lưu. Vì vậy, độ quá nhiệt có thể đạt tới 30
0
C. Như vậy, một cách gần đúng năng suất
lạnh trong trường hợp này q
o
= i
1
- i
4
và lượng nhiệt môi chất nhả ra trong bình ngưng chỉ
là: q
k
= i
2
- i
3
, còn công nén vẫn là l
o
= i
2
- i
1

Thông thường chu trình máy lạnh nén hơi được xác định bởi 4 nhiệt độ:
- Nhiệt độ sôi t

o
của ,môi chất trong bình bốc hơi
- Nhiệt độ ngưng tụ t
k
của môi chất trong bình ngưng
- Độ quá lạnh của môi chất lỏng trước van tiết lưu t
ql

- Độ quá nhiệt của hơi được hút vào máy nén t
qn

Ví dụ 3:
Cho chu trình làm lạnh nén hơi một cấp môi chất là freon R12 nhiệt độ t
0
= -20
0
C,
t
k
= 35
0
C, t
ql
= 30
0
C, t
qn
= -5
0
C. Biểu diễn chu trình trên đồ thị T-s và lgp-i. Xác

định các thông số của môi chất lạnh tại các điểm nút của chu trình.
Bài giải
* Đồ thị:












Để thuận lợi ta bắt đầu từ việc kẻ đường t
0
= -20
0
C. Đường này trong vùng bão hoà
trùng với đường p
0
= 0,151MPa ( tra bảng hơi freon bão hoà). Trong vùng hơi bão hoà đường
t
0
= -20
o
C cắt đường giới hạn trên x = 1 tại điểm 1’(hơi bão hoà khô ). Hơi bão hoà khô được
quá nhiệt theo đường p
o

=const ( đường thẳng song song với trục i trên đồ thị lgp-i). Trạng
thái hơi quá nhiệt đi vào máy nén được biểu diễn bằng điểm 1 (là giao điểm của đường p =
0,155MPa và đường t
qn
= -5
o
C). Trạng thái hơi cuối quá trình nén được biểu diễn bằng điểm 2
(là giao điểm của đường s = 4,6 (Kj/kg.độ) qua điểm 1 với đường đẳng áp p
k
= 0,846 MPa
(tra bảng hơi freon bão hoà tương ứng với t
k
= 35
o
C) trùng với đường đẳng nhiệt trong vùng
hơi bão hoà. Điểm 2’ là giao điểm của đường x = 1 và đường p
k
= const ( biểu diễn trạng thái
hơi bão hoà khô ). Điểm 3’ nằm trên đường x = 0( biểu diễn trạng thái môi chất lỏng sôi).
Điểm 3 ( trạng thái môi chất lỏng quá lạnh ) là giao điểm của đường đẳng nhiệt t
ql
= 30
0
C và
lgp

i

2

1

2'

3'

3

4 4'


∆
t
ql
1'


∆
t
qn

∆
t
qn

∆
t
ql
s

1

2
2'
1'

4 4'

∆
q
o
T
3’
3

b c c’

a

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version
129

đường p
k
= const. Điểm 4 ( trạng thái môi chất sau tiết lưu) là giao điểm của đường i = 429
(kJ/kg) qua điểm 3 và đường p
o
= 0,151MPa.
Sau khi đã xác định được các điểm 122’3’34 trên đồ thị lgp-i và T-s ta có thể xác
định 5 thông số trừ thể tích riêng của môi chất lỏng ở các điểm 3 và 3’( ta có thể tìm

chúng bằng cách tra bảng hơi freon bão hoà).
Tuy vậy, đơn giản và chính xác hơn ta nên dùng bảng hơi quá nhiệt và hơi bão hoà để
xác định các thông số. Theo bảng hơi bão hoà ta xác định được p
0
, p
k
và các thông số khác tại
các điểm 1’ 2’ 3’ dựa vào t
o
= -20
o
C, t
k
= 35
o
C. Cũng theo bảng này ta xác định được các
thông số của môi chất lỏng ở trạng thái 3 theo t = 30
o
C nhưng lưu ý là áp suất ở điểm 3:
p
k
= p
3
chứ không phải là trị số tra theo t = 30
o
C. Theo bảng hơi quá nhiệt ta tra ra các thông
số tại điểm 1 và 2.
Điểm 1 được xác định bởi 2 thông số: p
o
= 0,151MPa và t

qn
= -5
o
C. Điểm 2 được xác định bởi 2
thông số p
k
= 0,846MPa và s = 4,6 (kj/kg.độ).
Trị số các thông số tại các điểm nút của chu trình được biểu diễn trong bảng dưới đây
Các thông số Các điểm
p( MPa) t(
o
C) v(m
3
/kg) i(kj/kg) s(kj/kg.độ)
1’
1
2
2’
3’
3
4
0,151
0,151
0,846
0,846
0,846
0,846
0,151
-20
-5

60
35
35
30
20
0,109
0,117
0,024
0,021
0,00079
0,00077
0,03
542,96
551,96
584,81
556,64
434,09
429,08
429,08
4,57
4,60
4,60
4,55
4,12
4,09
4,10

Từ các thông số trong bảng trên ta có thể tính được các đại lượng sau:
- Năng suất lạnh: q
o

= i
1
- i
4
= 551,96 - 429,08 = 122,88(kj/kg)


- Lượng nhiệt môi chất nhả ra trong bình ngưng:
q
k
= i
2
- i
3
= 584,81 - 429,08 = 155,73(kj/kg)
- Công nén 1(kg) môi chất của chu trình:
l
o
= i
2
- i
1
= 584,81 - 551,96 = 32,85 (kj/kg)

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version