Thiết kế, chế tạo động cơ piston hơi nước sử dụng năng lượng tái tạo

i
MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ PISTON HƠI NƯỚC 2
1.1 Lịch sử phát triển động cơ hơi nước 2
1.2 Giới thiệu về động cơ piston hơi nước 6
1.2.1 Đặc điểm kết cấu của động cơ piston hơi nước ban đầu 7
1.2.3. Tính năng, ưu nhược điểm của động cơ piston hơi nước thời kì đầu 8
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới 9
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước 9
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 9
1.4 Khả năng và phạm vi ứng dụng 11
1.4.1 Ứng dụng trên bộ 11
1.4.2 Ứng dụng trong tàu thủy 12
Chương 2: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ 13
2.1. Thiết kế nguyên lý cơ cấu hoạt động của động cơ piston hơi nước 13
2.1.1. Nhiệm vụ thiết kế 13
2.1.2. Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế 14
2.1.2.1. Chu trình nhiệt động và các thông số trạng thái của động
cơ piston hơi nước 14
2.1.2.2. Sơ đồ nguyên lý của động cơ 21
2.2. Phân tích lựa chọn nồi hơi cấp hơi cho động cơ theo yêu cầu thiết kế 27
2.2.1. Phân tích lựa chọn nồi hơi cấp hơi cho động cơ 27
2.2.1.1. Quá trình sinh hơi trong nồi hơi 28
2.2.1.2. Phân tích lựa chọn phương án cấp nhiệt cho động cơ 29
2.2.1.3. Phân tích lựa chọn kết cấu của nồi hơi phù hợp với yêu
cầu sử dụng 31
2.2.2. Phân tích kết cấu và lựa chon nồi hơi mới 32
2.2.3. Tính toán các thông số của nồi hơi 41
ii

2.2.3.1. Phương pháp tính các thông số khí xả của động cơ diesel
và lượng nhiệt cấp cho nồi hơi từ khí xả 41
2.2.3.2. Lượng khí xả G
kx
do động cơ chính xả ra 41
2.2.3.3. Lượng nhiệt cấp cho nồi hơi từ khí xả 42
2.2.3.4. Xác định sản lượng nồi hơi khí xả 42
2.2.4. Tính toán và kiểm nghiệm lượng khí xả trên động cơ G6300ZC17B
ảnh hưởng đến các thông số của nồi hơi tận dụng nhiệt 43
2.2.4.1. Các thông số chính của động cơ [ Phần 4 trang 16]** 43
2.2.4.2. Tính các thông số khí xả động cơ, thông số công tác của
nồi hơi 43
2.2.5. Đánh giá chung về loại nồi hơi tận dụng nhiệt khí xả kiểu
moduyn 45
2.2.5.1. Về khả năng hạn chế các tổn thất nhiệt, nâng cao hiệu
suất, tiết kiệm nhiên liệu 46
2.2.5.2. Về khả năng giảm chi phí chế tạo 46
2.2.5.3. Về khả năng đáp ứng công suất, thông số hơi và chất
lượng hơi 47
2.2.5.4. Làm việc ổn định và an toàn 47
2.2.5.5. Thuận tiện cho việc chế tạo, lắp ráp, vận hành, kiểm tra,
bảo dưỡng và sửa chữa 48
2.2.6. Kết luận. 51
2.3. Thiết kế van và mạch điều khiển van 51
2.3.1. Cơ sở lưa chọn phương án thiết kế 51
2.3.2. Phân tích phương án 51
2.3.2.1. Van cơ khí 51
2.3.2.2. Van điện từ 52
2.3.3. Thành phần mạch điều khiển van 52
2.3.3.1. Lựa chọn LED thu – phát hồng ngoại 52

2.3.3.2. Lựa chọn kích thước đường ống, các van điện từ 54
iii
2.3.3.3. Cảm biến quang thiết kế 55
2.3.4. Lắp đặt van hơi 57
2.4. Nguyên lý hoạt động của động cơ 57
Chương 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO 60
3.1. Cơ sở và chọn phương án thiết kế 60
3.2. Chọn năng suất làm việc cho động cơ 61
3.3. Thiết kế chế tạo trục 61
3.3.1. Tính toán, thiết kế 61
3.3.2 Chế tạo trục 64
3.4 Thiết kế chế tạo xy lanh 68
3.4.1. Thiết kế 68
3.4.2. Quy trình phục hồi và gia công xilanh 69
3.5 Thiết kế chế tạo piston 70
3.5.1. Thiết kế piston 70
3.5.2 Chế tạo piston 73
3.6. Thiết kế chế tạo cam lệch 76
3.6.1. Thiết kế 76
3.6.2. Chế tạo cam lệch 78
3.7. Thiết kế, chế tạo tấm phẳng 79
3.7.1. Thiết kế 79
3.7.2. Gia công, chế tạo tấm phẳng 81
3.8 Động cơ sau khi được chế tạo hoàn chỉnh 83
3.9 Bản vẽ lắp của động cơ 83
CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM, KẾT LUẬN ,KIẾN NGHỊ 84
4.1 THỬ NGHIỆM 84
4.2. KẾT LUẬN 84
4.3 KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 85
Tài liệu tham khảo 87

iv
DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Động cơ hơi nước ban đầu của James watt 3
Hình 1.2: Mô hình động cơ piston hơi nước ban đầu 5
Hình 1.3: Mô hình Động cơ piston hơi nước ban đầu sử dụng cơ cấu Cu-Lit 6
Hình 1.4: Đặc điểm, kết cấu của động cơ piston hơi nước áp dụng trên
đầu máy xe lửa ban đầu 7
Hình 1.5: Chảo parabol sử dụng năng lượng mặt trời 11
Hình 2.1: Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong 15
Hình 2.2: Chu trình thực của động cơ piston hơi nước trên đồ thị P-V 16
Hình 2.3: Biểu diễn quá trình đoạn nhiệt trên đồ thị công (p-v) và đồ thị
nhiệt (T-s) 17
Hình 2.4: Biểu diễn quá trình đẳng áp trên đồ thị công và nhiệt 20
Hình 2.5: Lược đồ cơ cấu tay quay con trượt 22
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu tay quay con trượt 22
Hình 2.7: Lực tác dụng lên cơ cấu 24
Hình 2.8: Quá trình sinh hơi trong nồi hơi biểu diễn trên đồ thị i-t 28
Hình 2.9: Một số dạng nồi hơi khí xả thường dùng 33
Hình 2.10: Sơ đồ kết cấu nồi hơi ống nước tuần hoàn tự nhiên, có bộ
hâm kiểu moduyn 35
Hình 2.11: Kết cấu nồi hơi khí xả cải tiến kiểu moduyn của khoa đóng
tàu trường đại học Hàng Hải 38
Hình 2.12: Kết cấu một vỉ và kết cấu tổng thể giàn ống, phụ kiện nồi hơi
khí xả kiểu moduyn 39
Hình 2.13: Kết cấu tổng thể nồi hơi khí xả và bộ hâm nước tiết kiệm
kiểu moduyn dạng 3D 39
Hình 2.14: Một số hình ảnh chế tạo nồi hơi khí xả và bộ hâm nước tiết
kiệm kiểu moduyn 40

v
Hình 2.15:Sơ đồ thuật toán chương trình tính các thông số khí xả của
động cơ 44
Hình 2.16: Đồ thị biểu diễn quan hệ công suất có ích của động cơ chính
với nhiệt độ khí xả t
r
và sản lượng hơi của nồi hơi D
h
. 44
Hình 2.17: Cảm biến quang thu - phát độc lập 53
Hình 2.18: Cảm biến quang thu - phát chung 53
Hình 2.19: Cảm biến quang khuếch đại 53
Hình 2.20: Cấu tạo của cảm biến quang 54
Hình 2.21: Van điện từ 3 cửa 2 vị trí 55
Hình 2.22: Sơ đồ tổng thể của mạch cảm biến quang 55
Hình 2.23: Mô tả quá trình làm việc của pistoin trong xilanh 58
Hình 2.24: Sơ đồ chung toàn động cơ và các chi tiết 59
Hình 3.1: Biểu đồ momen uốn trên trục 62
Hình 3.2: Bản vẽ kết cấu của trục 64
Hình 3.3: Sơ đồ chống tâm khi gia công trục 66
Hình 3.4: Trục động cơ 67
Hình 3.5: Xy lanh động cơ 70
Hình 3.6: Bản vẽ chế tạo piston 74
Hình 3.7: Piston của động cơ 75
Hình 3.8: Piston của động cơ 76
Hình 3.9: Bản vẽ thiết kế, chế tạo cam lệch 77
Hình 3.10: Cam của động cơ 79
Hình 3.11: Bản vẽ thiết kế tấm phẳng 81
Hình 3.12: Tấm phẳng của động cơ 82
Hình 3.13: Động cơ được lắp ráp hoàn chỉnh 83

Hình 3.14: Thử nghiệm 83
1
LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay vấn đề về năng lượng đang là vấn đề cấp bách mà con người
ta đang cần phải tính toán và nghiên cứu. Nguồn năng lượng hóa thạch ngày
càng cạn kiệt vì vậy việc nghiên cứu tìm ra nguồn năng lượng khác thay thế
như năng lượng tận dụng từ nguồn năng lượng khí thải, hay năng lượng địa
chất đang là vấn đề ngày càng cấp thiết không chỉ của Việt Nam mà là của
toàn thế giới. Vì vậy ý tưởng của nhóm chúng em là chế tạo ra động cơ hơi
nước sử dụng năng lượng tái tạo .
Động cơ ra đời giúp tiết kiệm nguồn năng lượng đồng thời giảm thiểu
nguồn khí thải ra môi trường. Ngoài ra khi động cơ ra đời đánh dấu sự nỗ lực
tiếp cận thực tế của sinh viên ngành Động Lực nói riêng khoa kỹ thuật Giao
Thông trường đại học Nha Trang .
Việc tính toán cũng như chế tạo ban đầu gặp rất nhiều khó khăn nên
trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi sai xót.

Chúng em mong các
thầy góp ý cũng như bổ sung giúp để đề tài được hoàn thiện cũng như giúp
chúng em củng cố kiến thức được vững vàng sau khi ra trường.

2
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ PISTON HƠI NƯỚC
1.1 Lịch sử phát triển động cơ hơi nước
Trong thời kì thập niên 60 của thế kỉ XVIII có một phát minh mà sự
thành công của nó đã giúp cho con người thoát khỏi sự hạn chế về kĩ thuật
phục vụ cuộc sống. Đó là phát minh của nhà bác học James Watt ông tổ của
máy hơi nước.
James Watt sinh ngày 19 tháng 1 năm 1736 tại một thị trấn ven biển
Greenock ở Scotland, ông nội là Thomas Watt giáo sư dạy trắc lượng học và
hàng hải học.
James Watt thường được mọi người gọi là nhà phát minh máy hơi
nước. Ông là một trong những nhân vật then chốt trong cuộc cách mạng công
nghiệp. Thật ra James Watt không phải là người chế tạo ra máy hơi nước đầu
tiên. Năm 1698 Thomas Savory đã được trao bằng sáng chế máy bơm chạy
bằng hơi nước đầu tiên. Năm 1712, Thomas Newcomen cũng đã được trao
bằng sáng chế cải tiến máy hơi nước. Năm 1761, khi tiến hành sửa chữa một
máy hơi nước kiểu Newcomen, James Watt đã cải tạo máy hơi nước kiểu này
và tạo ra một ý nghĩa cực kì quan trọng đến nỗi mọi người phải công nhận
ông là người phát minh ra máy hơi nước đầu tiên.
3

Hình 1.1: Động cơ hơi nước ban đầu của James watt
Năm 1763-1764, tại trường đại học Glassgow, James Watt bắt đầu đặc
biệt chú ý tới máy hơi nước và xác định việc nghiên cứu nguyên lý và kết cấu
của máy hơi nước là phương hướng chủ yếu của mình.
Năm 1769, James Watt được nhận bằng độc quyền về cải tiến máy hơi
nước, một thành quả rất vĩ đại và có ý nghĩa cực kì to lớn đối với ngành công

nghiệp bấy giờ. James Watt đã cải tiến máy hơi nước một bộ phận có thể phân
ly để làm lạnh và cách ly các xilanh của nó. Năm 1782, ông đã phát minh ra
máy hơi nước kiểu song động. Sau khi kết hợp các phát minh đó lại ông đã
làm hiệu suất của máy hơi nước tăng lên gấp ba lần.
Tháng 6 năm 1775, giữa Boulton và James Watt đã kí một hợp đồng có
giá trị 25 năm, thành lập công ty Boulton - Watt chuyên sản xuất và tiêu thụ
loại máy hơi nước mới. Đây chính là tiền đề để cho James Watt sáng tạo ra
những cỗ máy hơi nước ngày càng tân tiến hơn. Trong 25 năm sau đó công ty
của James Watt và Boulton đã sản xuất một số lượng lớn máy hơi nước cung
cấp cho thị trường thời bấy giờ.
Năm 1781, James Watt còn phát minh ra một bộ phận bánh xe răng để
giúp cho máy hơi nước chuyển động xoay tròn mở rộng phạm vi sử dụng cho
máy hơi nước.
4
Từ khi máy hơi nước ra đời đã có một tác dụng to lớn trong cuộc cách
mạng công nghiệp. Trước khi có máy hơi nước, mặc dù con người đã biết sử
dụng sức gió và sức nước nhưng động lực chủ yếu vẫn là sức lực của con
người. Từ khi xuất hiện máy hơi nước con người đã thoát khỏi sự hạn chế đó.
Ngoài việc dùng làm nguồn năng lượng cho các công xưởng, máy hơi
nước còn được ứng dụng trong giao thông vận tải. Sự ứng dụng rộng rãi máy
hơi nước đã ảnh hưởng đến cuộc cách mạng trên phương tiện giao thông của
nước Anh.
Năm 1814, George Stephenson chế tạo thành công xe lửa chạy bằng hơi
nước, George Stephenson được suy tôn là cha đẻ của đầu máy xe hỏa. Ông là
người thợ làm trong hầm mỏ tại Anh, trước khi làm việc dưới hầm mỏ,
Stephenson đã từng quen thuộc với các loại máy hơi nước của James Watt.
Rồi theo các ý tưởng của William Murdock và Richard Trevithick, ông đã chế
tạo một đầu tàu kéo được 90 tấn trên quãng đường 85 dặm. Stephenson tiếp
tục chế tạo chiếc xe nữa, nặng 4,5 tấn và bánh xe có đường kính 1,42 mét.
Chiếc thứ ba có tên là Rocket chở được 36 hành khách và chạy với tốc độ 30

dặm một giờ.
Năm 1830, Peter Cooper chế tạo chiếc đầu tàu Tom Thumb dùng cho
đường xe lửa Baltimore-Ohio và xưởng đúc West Point cho ra đời chiếc Best
Friend để sử dụng vào năm 1831 tại tiểu bang Nam Carolina trên tuyến đường
Charleston và Hamburg.
Chiếc đầu tàu xe lửa lịch sử De Witt Clinton của công ty hỏa xa
Mohawk and Hudson do xưởng đúc West Poit chế tạo có nồi hơi đặt nằm
ngang. Vào tháng 8 năm 1831, chiếc đầu tàu lịch sử kể trên đã kéo một đoàn
tàu không mui chạy trên quãng đường dài 17 dặm từ Albany tới Schenectady
trong một giờ bốn mươi lăm phút và đã đạt được vận tốc tối đa là ba mươi
dặm trên một giờ. Lúc chạy về đầu tàu này đã chạy trong một giờ đồng hồ.
5

Hình 1.2: Mô hình động cơ piston hơi nước ban đầu
Năm 1831, đầu máy John Bull được Hoa Kì nhập khẩu từ Anh để
chạy trên tuyến đường Camden và Amboy, nhưng đầu máy này quá nặng nề
đối với đường xe lửa mỏng manh của Hoa Kì.
Xưởng Rogers Locomotive ở Paterson, New yersey, các đầu tàu được
chế tạo với các xilanh nằm phía ngoài khung tàu. Chiếc đầu tàu chế tạo cho
đường xe lửa New York, New Haven và Harford đã trở thành hình mẫu trong
nửa thế kỷ cho các đầu tàu khác tại Hoa Kì. Chiếc đầu tàu này có 8 bánh, 11
xilanh dài 45 centimet.
Đầu máy Virginian có chiều dài 32,6 mét, nặng 450 tấn đủ sức kéo
được 17000 tấn.
Sự cải tiến giao thông đường thủy là đóng những chiếc tàu có thể lắp
được máy hơi nước làm hệ động lực. Ngày 19 tháng 8 năm 1807, một nhà
phát minh người Mỹ là Fullton đã thiết kế một chiếc tàu chở khách chạy bằng
hơi nước thử nghiệm thành công trên sông Hudson, đồng thời đã mở ra
chuyến chạy định kì từ NewYork đến An-ba-ni.

6

Hình 1.3: Mô hình Động cơ piston hơi nước ban đầu sử dụng
cơ cấu Cu-Lit
Động cơ hơi nước hay máy hơi nước đầu tiên được sử dụng như bộ
phận chuyển động sơ cấp của bơm, đầu máy tàu hỏa, tàu thủy hơi nước, máy
cày, xe tải và các loại xe cơ giới chạy trên đường bộ khác và là nền tảng của
cuộc cách mạng công nghiệp thuở ban đầu. Thành tựu lớn nhất mà động cơ
hơi nước đạt được là sự xuất hiện của các tuốc bin hơi được sử dụng trên
nhiều lĩnh vực hiện nay.
1.2 Giới thiệu về động cơ piston hơi nước
Đối với động cơ đốt trong, piston có nhiệm vụ cùng với xi lanh và nắp
máy tạo thành buồng đốt. Piston nhận áp suất do sự giãn nở của khí cháy rồi
truyền lực cho trục khuỷu để sinh công trong quá trình cháy và nhận lực từ
trục khuỷu để thực hiện các quá trình nạp, nén và thải (động cơ đốt trong 4
thì), ở động cơ đốt trong 2 thì piston còn thực hiện chức năng làm van đóng
mở cửa hút và cửa xả.
Động cơ piston hơi nước thì piston có nhiệm vụ nhận hơi nước từ nồi
hơi qua van đóng mở, rồi nhờ sự giãn nở của hơi nước sinh công truyền lực
7
tới cần đẩy tác động lên tấm phẳng cùng kết hợp với cam lệch tạo ra chuyển
động quay cho động cơ, piston thực hiện đồng thời quá trình sinh công và thải.
Động cơ piston hơi nước là kiểu động cơ khác với tất cả các kiểu động
cơ mà chúng ta gặp từ trước tới giờ nó có sự kết hợp giữa động cơ đốt trong
động cơ đốt ngoài và một phần của động cơ hơi nước.
Kết cấu của động cơ piston cũng rất hợp lý là các xy lanh được bố trí
thẳng hàng tạo điều kiện cho việc biến chuyển động tịnh tiến của piston thành
chuyển động quay mà không cần phải sử dụng cơ cấu thanh truyền trục khuỷu
như động cơ đốt trong.
1.2.1 Đặc điểm kết cấu của động cơ piston hơi nước ban đầu

Hình 1.4: Đặc điểm, kết cấu của động cơ piston hơi nước áp dụng trên
đầu máy xe lửa ban đầu
8
Kết cấu ban đầu của động cơ piston hơi nước là có cấu tạo rất đơn giản.
Cấu tạo gồm có lò đốt, nồi hơi, cơ cấu culit, hệ thống van làm nhiệm vụ phân
phối hơi tới xylanh, piston- xylanh.
1.2.3. Tính năng, ưu nhược điểm của động cơ piston hơi nước thời kì đầu

Tính năng
Động cơ piston hơi nước ra đời đánh dấu bước ngoặt lớn của con
người. Nó giúp chúng ta cải thiện và giảm sức lao động của con người đi rất
nhiều. Hơi nước có áp suất cao sẽ được đưa vào piston nhờ van phân phối sẽ
giúp piston chuyển động tịnh tiến. Việc biến từ chuyển động tịnh tiến thành
chuyển động quay được thực hiện nhờ cơ cấu culit.
Ưu nhược điểm
Ưu điểm
+ Giúp con người giải phóng được sức lao động, mở ra cuộc cách mạng
công nghiệp của nhân loại.
+ Sử dụng cơ cấu biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay
mà thành công của nó được sử dụng rộng rãi cho đến bây giờ.
+ Với kết cấu sơ khai ban đầu, sự ra đời của động cơ piston hơi nước
đã tạo tiền đề cho sự phát triển của động cơ đốt trong, sự phát triển của nồi
hơi công nghiệp hiện nay.
Nhược điểm
+ Kết cấu còn quá sơ khai, cồng kềnh và kém hiệu quả.
+ Độ tin cậy thấp, hiệu suất sử dụng không cao.
+ Mức độ tự động điều khiển và điều chỉnh chưa được chú trọng.

9
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay trong nước chưa có cá nhân và tổ chức nào bắt tay vào việc
nghiên cứu loại hình động cơ này. Vì nhiều lí do nhưng cơ bản nhất vẫn là do
động cơ diesel và động cơ điện vẫn đang chiếm ưu thế về mặt kĩ thuật, công
nghệ cũng như nhiều tính năng ưu việt của chúng.
Động cơ diesel thì vẫn đóng vai trò không thể thay thế trong sự phát
triển của xã hội hiện nay. Với những tính năng nổi bật như: Có khả năng tạo
được tổ hợp công suất ở phạm vi lớn trên cơ sở các kiểu kích thước xilanh
tiêu chuẩn, có thể sử dụng các kiểu truyền động khác nhau, tương đối đơn
giản trong việc tự động hóa điều khiển, tính kinh tế tương đối cao. Do đó,
hiện nay trên lĩnh vực tàu thủy thì động cơ diesel được chọn ưu tiên số một
trang bị làm máy chính cho tàu. Điều đó đã được chứng minh rằng với số
lượng tàu biển được trang bị thiết bị năng lượng diesel chiếm từ (95-97)% số
lượng các tàu đóng mới.
Động cơ điện cũng có những ưu thế riêng của nó trong việc lựa chọn
làm máy móc trên các phương diện của công nghệ.
Tuy nhiên tất cả các loại động cơ, từ động cơ điện, diesel, tuabin hơi,
tuabin khí, thiết bị năng lượng kiểu nguyên tử vẫn có những hạn chế nhất định
của nó, mà trong tương lai con người sẽ thay thế bằng một loại mới phù hợp
hơn với cuộc sống và yêu cầu cho sự phát triển bền vững lâu dài.
Động cơ piston hơi nước có thể khó thay thể được các loại thiết bị
năng lượng trên nhưng với việc nghiên cứu và phát triển loại động cơ kiểu
này đang là xu thế của xã hội hiện nay, vì những tính năng và ý nghĩa lớn lao
mà nó có thể mang lại trong tương lai. Do đó, trong đề tài tốt nghiệp lần này,
bộ môn Động lực trường Đại học Nha Trang đã đặt vấn đề nghiên cứu và chế
tạo mô hình đầu tiên trong cả nước.
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Hiện nay trên thế giới đã có những nghiên cứu và chế tạo thành công
loại động cơ piston hơi nước. Điển hình như công ty cơ khí của ông Robert
10
Green đã nghiên cứu và cho ra đời động cơ mang tên Green Steam engine.
Sản phẩm này đã được đưa vào áp dụng trong thực tế và đạt được những
thành công nhất định. Chúng đã được áp dụng vào làm quay máy phát điện,
máy bơm nước, làm động cơ phục vụ trong đời sống của con người bằng
nguồn năng lượng là hơi nước. Năng lượng để cấp cho nồi hơi là dạng năng
lượng tái tạo và năng lượng tận dụng. Một loại năng lượng có sẵn trong tự
nhiên và không ảnh hưởng đến môi trường.
Bảng 1 : Bảng kết quả thử nghiệm động cơ piston hơi nước [5]


11
1.4 Khả năng và phạm vi ứng dụng
1.4.1 Ứng dụng trên bộ
Như đã biết, động cơ piston hơi nước là một dạng của động cơ đốt
ngoài nên động cơ có thể hoạt động trong môi trường có nhiệt cung cấp cho
nồi hơi là được. Do đó, trên thực tế có rất nhiều địa điểm mà động cơ piston
hơi nước có thể ứng dụng như là năng lượng mặt trời, khí biogas, hoặc than
đá. Do than đá là năng lượng hóa thạch mà mục đích của đề tài nghiên cứu ở
đây là tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nên ưu tiên
phương án tận dụng nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhiên để đáp ứng cho
nhu cầu phát triển động cơ piston hơi nước sử dụng năng lượng tái tạo.
Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực cận xích đạo và nói chung
thời gian nắng trong một ngày là rất dài so với các quốc gia và vùng lãnh thổ
khác. Khu vực thời gian chiếu sáng của mặt trời dài nhất là khu vực miền
trung và nhiệt độ cao nhất là đến 45-46
0
C. Vì vậy ta có thể dùng năng lượng

mặt trời để cấp nhiệt cho nồi hơi bằng cách sử dụng chảo parabol, loại chảo
này đã được Việt Nam chế tạo thành công và chi phí cũng không cao. Động
cơ ra đời kết hợp với việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời có thể áp dụng
cho nhiều mục đích khác nhau trên bộ.

Hình 1.5: Chảo parabol sử dụng năng lượng mặt trời
12
Về sử dụng năng lượng biogas, hiện nay Việt Nam là quốc gia có số gia
súc gia cầm thuộc loại lớn trong khu vực. Chính nguồn CH
4
thải ra môi
trường hàng năm cao gần bằng lượng CO
2
thải ra môi trường. Khi đó chúng ta
có thể sử dụng khí biogas dư thừa để tạo nhiệt cho nồi hơi giảm thiểu ô nhiễm
môi trường. Vì vậy, có thể áp dụng động cơ tại những vùng chăn nuôi có mật
độ gia súc và gia cầm lớn xa khu dân cư và không được cung cấp điện năng
để giảm chi phí và cải thiện cuộc sống cho người nông dân .
1.4.2 Ứng dụng trong tàu thủy
Như đã biết động cơ tàu thủy lớn hiện nay chủ yếu là động cơ 2 kỳ mà
lượng nhiên liệu mà động cơ tiêu thụ là rất lớn, với hiệu suất nhiệt của chu
trình là
%4830
÷
=
η
. Nhiệt lượng do khí xả mang đi chiếm 26÷37% tổng
nhiệt lượng cấp cho động cơ. Nguồn nhiệt do khí xả là nguồn có năng lượng
lớn mà chưa được tận dụng triệt để. Vậy chúng ta có thể tận dụng năng lượng
khí xả từ động cơ để đun nóng nồi hơi, tạo ra nguồn năng lượng mới là hơi

nước để cung cấp cho động cơ piston hơi nước được thiết kế. Mặt khác, trên
tàu thủy những hệ thống bơm như bơm ballast hay các loại thiết bị khác phải
sử dụng năng lượng điện lấy trực tiếp từ máy phụ. Nếu thay thế các loại động
cơ sử dụng điện trên bằng động cơ kiểu piston hơi nước sẽ đem lại hiệu quả
cao và tiết kiệm được năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.








13
Chương 2
THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ
2.1. Thiết kế nguyên lý cơ cấu hoạt động của động cơ piston hơi nước
2.1.1. Nhiệm vụ thiết kế
- Mục đích của việc thiết kế: Khảo sát các cơ sở tính toán các chi tiết
máy, kết cấu của cụm chi tiết máy, nghiên cứu kết cấu và tính toán các chi
tiết, các khâu, các khớp, cụm chi tiết máy theo chỉ tiêu khả năng làm việc,
nghiên cứu nguyên lý, phương pháp tính toán cho sự phối hợp làm việc của
các chi tiết máy.
- Các thông số đầu vào của quá trình thiết kế:
+ Đối tượng thiết kế: Động cơ piston hơi nước.
+ Số xilanh: Hai xilanh.
+ Đường kính xilanh: 50 mm.
+ Hành trình piston thiết kế: 40 mm.
+ Năng lượng cung cấp cho động cơ: Hơi nước.
+ Áp suất hơi ban đầu: 6 kG/cm

2
.
+ Nhiệt độ hơi ban đầu: 153
0
C.
- Yêu cầu của sản phẩm:
+ Yêu cầu về khả năng làm việc: Hoàn thành các chức năng đã định,
bảo đảm được độ bền, không thay đổi về kích thước và hình dạng, chịu được
nhiệt, chịu được dao động v.v.
+ Có hiệu quả sử dụng cao: Năng suất, hiệu suất và độ chính xác cao,
tiêu thụ ít năng lượng, chi phí về lao động vận hành thấp, kích thước, trọng
lượng nhỏ gọn v.v.
+ Có độ tin cậy cao: Máy có thể thực hiện các chức năng nhiệm vụ đã
định, đồng thời các chỉ tiêu về sử dụng (như năng suất, độ chính xác, hiệu
14
suất, mức tiêu thụ năng lượng…) vẫn được duy trì ở mức độ cho phép trong
suốt thời hạn sử dụng.
+ Có tính kinh tế cao: Thời gian và công sức thiết kế ít nhất, kích thước
gọn nhẹ, khối lượng nhỏ, do đó giá thành hạ. Vật liệu rẻ tiền, dễ cung cấp,
năng suất, hiệu suất cao, chi phí về năng lượng, bôi trơn, sửa chữa, bảo dưỡng thấp.
2.1.2. Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế
Dựa vào nhiệm vụ của quá trình thiết kế đã đưa ra như trên, ta tiến hành
phân tích, lựa chọn những phương án có thể được áp dụng cho quá trình thiết
kế động cơ piston hơi nước.
Trước hết là xác định chu trình nhiệt động và tính toán các thông số
trạng thái của động cơ được thiết kế.
2.1.2.1. Chu trình nhiệt động và các thông số trạng thái của động cơ
piston hơi nước
Trên cơ sở nghiên cứu và tính toán các thông số của chu trình nhiệt
động thực tế trên động cơ piston hơi nước ta xem xét, đánh giá, phân tích các

chu trình lý tưởng trên động cơ kiểu piston. Để sau đó có thể xác định và tính
toán được các thông số trạng thái trên chu trình thực của động cơ piston hơi nước.
Để dễ dàng trong việc nghiên cứu vấn đề này ta đưa ra các giả thiết như sau:
- Môi chất công tác là khí lý tưởng với tỉ nhiệt không đổi.
- Lượng môi chất công tác và thành phần của nó không thay đổi trong
suốt thời gian thực hiện chu trình (là chu trình kín).
- Quá trình nén và quá trình giãn nở là quá trình đoạn nhiệt (trong thời
gian diễn ra quá trình nén và quá trình giãn nở không có sự trao đổi nhiệt giữa
môi chất công tác với vách xilanh).
- Tất cả các quá trình diễn ra trong xilanh với tốc độ vô cùng nhỏ do đó
coi như không xảy ra tổn thất ma sát và tiết lưu.
Nếu xem xét các chu trình lý tưởng đối với động cơ đốt trong thì chu
trình cấp nhiệt hỗn hợp gần giống với chu trình thực của động cơ piston hơi
15
nước nhất. Do đó ta có thể dựa vào đây để phân tích và tính toán các thông số
trạng thái nhiệt động học của động cơ piston sử dụng hơi nước làm môi chất
công tác.

Hình 2.1 : Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong
Chu trình otto (cấp nhiệt đẳng tích, hình 10a ).
Chu trình diesel (cấp nhiệt đẳng áp, hình 10b).
Chu trình seliger (chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, hình 10c).
Trong chu trình cấp nhiệt hỗn hợp gồm có các quá trình nhiệt động xảy
ra như sau:
Nén đoạn nhiệt: a - c .
Cấp nhiệt đẳng tích: c - z
'
.
Cấp nhiệt đẳng áp: z
'

- z .
Giãn nở đoạn nhiệt: z - b .
Nhả nhiệt đẳng tích: b - a .

16

Hình 2.2 : Chu trình thực của động cơ piston hơi nước trên đồ thị P-V
Trong chu trình thực của động cơ piston hơi nước có một quá trình xảy
ra khác với chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp của động cơ đốt trong là quá
trình nhả nhiệt.
Trong chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp quá trình nhả nhiệt là đẳng
tích từ (b - a). Còn trong chu trình thực của động cơ piston hơi nước thì quá
trình nhả nhiệt là đẳng áp từ (C - D).
Quá trình giãn nở đoạn nhiệt nếu đúng theo chu trình lý thuyết sẽ là quá
trình xảy ra từ A - C. Nhưng trên thực tế quá trình này xảy ra hai giai đoạn đó
là từ A - B và từ B - C. Sở dĩ có giai đoạn từ B - C là do ảnh hưởng của quán
tính chuyển động của piston và của dòng hơi giãn nở tiếp tục.
Thực tế nghiên cứu quá trình nhiệt động diễn ra trong xilanh động cơ
piston hơi nước, ta chỉ chú ý nghiên cứu hai quá trình nhiệt động quan trọng
nhất tác động trực tiếp đến việc sinh công đó là: Quá trình giãn nở của dòng
hơi khi vào xilanh động cơ và quá trình thải hơi sau giãn nở ra khỏi xilanh.
Bây giờ ta xem xét các quá trình nhiệt động diễn ra trong xilanh khi
dòng hơi được cấp vào và thải ra.

17
2.1.2.1.1. Quá trình giãn nở đoạn nhiệt.
Quan hệ giữa các thông số đầu và cuối: Theo [4 trang 41] [6]

k
v

v
p
p








=
2
1
1
2
;
k
p
p
v
v
1
2
1
1
2









=
;
k
k
p
p
T
T
1
1
2
1
2
−








=
=
1

2
1
−








k
v
v
( 2.1 )
Lượng thay đổi nội năng :

).(
12
TTcu
v
−=∆
( 2.2 )
Nhiệt lượng tham gia quá trình :
q
21−
= 0
Công giãn nở :

21−

w
=
















−
−
=



















−
−
=−
−
−
−
1
2
111
1
1
211
21
1
1
.
1
1
.
)(
1

k
k
k
v
v
k
vp
p
p
k
vp
TT
k
R
( 2.3 )
Công kĩ thuật :
w
2121
.
−−
= wk
T
( 2.4 )
Lượng thay đổi enthalpy :

(
)
12
. TTci
p

−=∆
( 2.5 )
Lượng thay đổi entropy :
ds =
0=
T
dq
;
0
=
∆
s
;
21
ss =
( 2.6 )
k- Chỉ số đoạn nhiệt : k =
v
p
c
c
( 2.7)







Hình 2.3: Biểu diễn quá trình đoạn nhiệt trên đồ thị công (p-v) và đồ thị nhiệt (T-s)

w
1-2
v

s
1
= s
2
T
2
T
1
1

2
P

P
2
P
1
2

1

T

s

v

1
v
2
18
Sử dụng các công thức ở trên để tính toán các thông số trạng thái của chu
trình với thông số đầu vào của hơi bắt đầu giãn nở và thông số của động cơ:
Áp suất thiết kế trước khi giãn nở p
1
= 6 kG/cm
2
, nhiệt độ hơi bão hòa
khi vào xilanh để thực hiện quá trình giãn nở T
1
= 153
0
C. Đường kính xilanh
thiết kế là 50 mm, hành trình piston thiết kế là 40 mm. Giống như thể tích
trong xilanh của động cơ đốt trong thì thể tích hơi trong xi lanh bắt đầu quá
trình giãn nở (piston ở điểm chết dưới) v
1
= 19625 mm
3
, thể tích hơi trong
xilanh cuối quá trình giãn nở (piston ở điểm chết trên) v
2
= 98125 mm
3
.
Xem quá trình giãn nở từ 1 đến 2 trên đồ thị p-v của chu trình lý thuyết
tương ứng với quá trình giãn nở từ A đến C trên chu trình thực thì ta có:

Áp suất cuối quá trình giãn nở p
2
= p
C
.
k
v
v
p
p








=
2
1
1
2
=>
k
v
v
pp









=
1
12
.

Với k = 1,4 đối với môi chất 2 nguyên tử.
v
1
= 19,625 cm
3
;v
2
= 98,125 cm
3
;p
1
= 6kG/cm
2
.
p
2
=
6,0
125,98

625,19
.6
4,1
=






(kG/cm
2
)
Vậy ta tính được p
2
= p
C
= 0,6 kG/cm
2
.
Nhiệt độ T
2
cuối quá trình giãn nở:
T
2
= T
1
2
1
1

.
−








k
v
v
=
14,1
125,98
625,19
.153
−






= 80
0
C
Lượng thay đổi nội năng:
).(

12
TTcu
v
−=∆

Với c
v
=
R
k
.
1
1
−
= 20875
R - Hằng số khí lý tưởng = 8314.
Vậy
1517305)15380.(20875
−
=
−
=
∆
u

19
Quá trình giãn nở, nội năng thay đổi theo hướng âm.
Công giãn nở:
w
21−

















−
−
=
−1
2
111
1
1
.
k
v
v
k
vp

=














−
−
−14,1
125,98
625,19
1
14,1
625,19.6
= 140 (kG.cm)
Công kĩ thuật :
196140.4,1.
2121
===
−−
wkw

T
(kG.cm)
Qua quá trình tính toán như trên ta thấy rằng trên chu trình nhiệt thực tế
của quá trình giãn nở đoạn nhiệt từ A đến C thì áp suất giảm từ 6kG xuống
còn 0,6 kG, nhiệt độ giảm từ 153
0
C xuống còn 80
0
C. Trong quá trình giãn
nở thì hơi nước đã sản sinh ra một công là 140 kG.cm tác dụng vào động cơ.
2.1.2.1.2 Quá trình thải nhiệt đẳng áp
Quá trình thải bắt đầu sau khi động cơ thực hiện quá trình giãn nở đoạn
nhiệt, nghĩa là piston sẽ đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên thực hiện quá
trình thải. Quá trình thải diễn ra là đẳng áp, nghĩa là áp suất không thay đổi
trong suốt quá trình thải.
Các công thức áp dụng để tính toán thông số trạng thái của quá trình thải
nhiệt đẳng áp:
Quan hệ giữa các thông số đầu và cuối:

2
2
1
1
T
v
T
v
=
hoặc
2

1
2
1
T
T
v
v
=
( 2.8 )
Lượng thay đổi nội năng :

)(
12
TTcu
v
−=∆
( 2.9 )
Công giãn nở :

(
)
1221
vvpw −=
−
( 2.10 )
Công kĩ thuật :

0
21
=

−T
w
( 22 )
Lượng thay đổi enthalpy :
20

(
)
12
TTci
p
−=∆
( 2.11 )
Lượng thay đổi entropy :









=∆
1
2
ln.
T
T
cs

p
( 2.12 )






Hình 2.4: Biểu diễn quá trình đẳng áp trên đồ thị công và nhiệt
Áp dụng tính toán trên chu trình thực của động cơ piston hơi nước:
Nhiệt độ cuối quá trình thải:
16
125,98
80.625,19
.
2
21
3
3
1
2
2
====>=
v
Tv
T
T
v
T
v

0
C
Ở đây khi động cơ thực hiện quá trình thải, hơi tính từ điểm chết dưới
về điểm chết trên thì thể tích cuối quá trình xả v
3
= v
1
.
Áp suất không đổi trong suốt quá trình thải, p
3
= p
2
= 0,6kG/cm
2
.
Vậy trong quá trình thải của động cơ thì áp suất không đổi trong suốt
quá trình, chỉ có nhiệt độ thay đổi trong quá trình thải của chu trình.
Lượng thay đổi nội năng :
1336000)8016.(20875)(
23
−=−=−=∆ TTcu
v

Do đây là quá trình thải của động cơ nên lượng thay đổi nội năng là âm.
Công giãn nở trong quá trình thải từ cuối quá trình giãn nở (điểm 2) đến
cuối quá trình thải (điểm 3).

(
)

1,47)125,98625,19.(6,0
2332
−=−=−=
−
vvpw
(kG.cm)
2 3

w
2-3
T

T
2
2

P

v
2
p
2
= p
3

v

v
3
3

T
3
s
2
s
3
s