Bài giảng Nhiệt động kỹ thuật chương 3

CHƯƠNG III.
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
NỘI DUNG
BÀI I. GIỚI THIỆU VỀ CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
BÀI II. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG
CƠ ĐỐT TRONG
BÀI III. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT
BỊ LẠNH
BÀI I. GIỚI THIỆU VỀ CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
(CTNĐ)
1. Định nghĩa chu trình nhiệt động
- Để biến nhiệt thành công trong các máy nhiệt phải dùng
chất môi giới và cho chất môi giới giãn nở.
- Muốn nhận được công liên tục chất môi giới phải giãn nở
liên tục. Nhưng môi chất không thể giãn nở mãi vì kích thước
máy có hạn.
→ Vì vậy muốn nhận được công liên tục sau khi giãn nở
phải nén môi chất để nó trở về trạng thái ban đầu và tiếp tục
giãn nở, nén lần thứ hai…
 Chu trình nhiệt động là chu trình trong đó chất môi giới
thay đổi trạng thái một cách liên tục rồi lại trở về trạng
thái ban đầu.
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
2. Phân loại chu trình nhiệt động
a. Chu trình thuận chiều:
Chu trình tiến hành theo chiều kim
đồng hồ (trên các đồ thị trạng thái) gọi là
chu trình thuận chiều (hình 1).
 Chu trình này biến nhiệt thành công
(công sinh ra mang dấu dương), đường
cong giãn nở (1a2) nằm phía trên đường

cong nén (2b1).
 Máy nhiệt làm việc theo chu trình
này gọi là động cơ nhiệt.
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
p
a’
v
b’
2’1’
a
b
l
0
>0
2
1
Hình 1. Chu trình thuận chiều
2. Phân loại chu trình nhiệt động
b.Chu trình ngược chiều:
Chu trình làm việc theo chiều ngược kim
đồng hồ gọi là chu trình ngược chiều
(hình 2).
Chu trình này tiêu hao công (công đưa
vào mang dấu âm), đường cong nén
(2b1) nằm trên đường cong giãn nở
(1a2).
Máy nhiệt làm việc theo chu trình này
gọi là máy lạnh và bơm nhiệt.
- Chu trình thuận nghịch: Là chu trình gồm những quá trình thuận nghịch.
- Chu trình không thuận nghịch: Nếu trong chu trình chỉ cần có một quá trình

không thuận nghịch.
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
p
b’
v
a’
2’1’
b
a
l
0
<0
2
1
Hình 2. Chu trình ngược chiều


3. Nguyên lý làm việc thiết bị nhiệt
3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt
Động cơ nhiệt là máy nhiệt làm việc theo chu trình thuận
chiều thực hiện việc biến đổi nhiệt thành công.
- Ví dụ: Máy hơi nước, tuabin hơi, tuabin khí, động cơ đốt
trong và động cơ phản lực
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
 Nguyên lý làm việc
Môi chất nhận nhiệt Q
1
từ nguồn nóng có nhiệt độ T
1
giãn nở để biến một phần nhiệt này thành công L

o
.
Sau đó môi chất nhả phần nhiệt còn lại Q
2
cho nguồn
lạnh ở nhiệt độ T
2
(ví dụ nước làm mát, khí quyển).
Q
1
– |Q
2
| = L
o
; L
o
< Q
1
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
3. Nguyên lý làm việc thiết bị nhiệt
3.1 Nguyên lý làm việc của động cơ nhiệt
Q
1
– |Q
2
| = L
o
> 0 ; L
o
< Q

1
Hình 3. Nguyên lý làm việc
của đông cơ nhiệt
Q
1
T
1
T
2
Q
2
L
0
3. Nguyên lý làm việc thiết bị nhiệt
3.2 Nguyên lý làm việc của máy lạnh và bơm nhiệt:
Máy lạnh và bơm nhiệt là máy nhiệt làm việc theo chu
trình ngược chiều.
 Nguyên lý làm việc:
Tiêu hao công L
o
(hoặc nhiệt năng) để môi chất nhận
nhiệt Q
2
từ nguồn lạnh có nhiệt độ T
2
rồi truyền lượng nhiệt
Q
2
cùng với công L
o

cho nguồn nóng có nhiệt độ T
1.
+ Máy lạnh sử dụng nhiệt Q
2
để làm lạnh các vật.
+ Bơm nhiệt sử dụng nhiệt Q
1
để sưởi, sấy các vật.
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
1 2 0
Q Q L
 
3. Nguyên lý làm việc thiết bị nhiệt
3.2 Nguyên lý làm việc của máy lạnh và bơm nhiệt:
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
1 2 0
Q Q L
 
Hình 4. Nguyên lý làm việc của Máy
lạnh và Bơm nhiệt
Q
1
T
1
T
2
Q
2
L
0

4. Công của chu trình
Công của chu trình là công của môi chất tác dụng tới
môi trường khi chất môi giới thực hiện một chu trình.
Ký hiệu: L
o
(J) hoặc l
o
(J/kg).
4.1 Công của chu trình tính theo công của các QT:
- Vì d(pv) = pdv + vdp, chu trình là quá trình khép kín :
- Vì tích số pv là một hàm trạng thái :
và


d pv pdv vdp
 
  
  


d pv 0



n
i
i 1
pdv l






n
i
i 1
vdp vdp lkt

    

 
 
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
4. Công của chu trình
4.1 Công của chu trình tính theo công của các QT:
(1)
Trong đó:
l
i
: Công thay đổi thể tích của quá trình thứ i trong n quá
trình của chu trình.
l
kti
: Công kỹ thuật của quá trình thứ i trong n quá trình
của chu trình.
- Nhìn về toàn bộ ta nhận thấy chu trình là một hệ kín mà
công ngoài của hệ kín là công thay đổi thể tích

công của
chu trình là công thay đổi thể tích, do đó:

(2)
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
n n n n
i kti i kti
i 1 i 1 i 1 i 1
l l 0 l l
   
    
   
n
0 i
i 1
l l



4. Công của chu trình
4.1 Công của chu trình tính theo công của các QT:
- Kết hợp với biểu thức (1) và (2), công của chu trình được
tính bằng biểu thức:
(3)
i
n n
0 i kt
i 1 i 1
l l l
 
 
 
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG

4. Công của chu trình
4.2 Công của chu trình tính theo nhiệt của các QT:
+ Từ PT định luật I: dq = du + dl
+ Với chu trình :
Trong đó:
vì u là hàm trạng thái
Là công của chu trình
Là tổng đại số nhiệt lượng của các QT trong CT.
Do đó:
(4)
dq du dl
 
  
  
0
i
du 0
dl l
dq q










n

0 i
i 1
l q



CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
4. Công của chu trình
4.2 Công của chu trình tính theo nhiệt của các QT:
Từ biểu thức: (4)
- Với chu trình động cơ nhiệt vì q
1
> 0 ; q
2
< 0 → biểu thức (4) có
dạng:
l
o
= q
1
-|q
2
| vì q
1
>|q
2
| → l
o
> 0
- Với chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt vì q

1
< 0 (nhả nhiệt) ; q
2
> 0
(nhận nhiệt) → biểu thức (4) có dạng:
l
o
= q
2
-|q
1
| hay |l
o
| = |q
1
| - q
2
vì |q
1
| > q
2
→ l
o
< 0
n
0 i
i 1
l q




CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
5. Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt
- Hiệu suất nhiệt: Là đại lượng để đánh giá mức độ hoàn
thiện (về mặt số lượng) của quá trình biến nhiệt thành công
trong các chu trình động cơ nhiệt làm việc theo chu trình thuận
chiều.
(8)
- Hệ số làm lạnh

& hệ số bơm nhiệt

: Là đại lượng để
đánh giá mức độ hoàn thiện (về mặt số lượng) của quá trình
biến chuyển năng lượng trong chu trình máy lạnh hoặc bơm
nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều.
(9) (10)
1 2
0
t
1 1
q q
l
q q

  
2 2
0 1 2
q q
l q q

  

1 1
0 1 2
q q
l q q
  

CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
BÀI II. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG CƠ
ĐỐT TRONG
1. Khái niệm chung
Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt có pit tông trong đó nhiên
liệu cháy trực tiếp trong xy lanh của động cơ và thực hiện quá
trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng.
 Một số giả thiết khi nghiên cứu:
+ Các tính chất vật lý của môi chất không thay đổi trong CT.
+ Các quá trình xảy ra đều là thuận nghịch, coi quá trình nén
và giãn nở là quá trình đoạn nhiệt.
+ Quá trình cháy thay bằng quá trình cấp nhiệt và quá trình
thải sản phẩm cháy bằng quá trình nhả nhiệt đẳng tích.
CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1. Khái niệm chung
1.1 Phân loại theo nhiên liệu sử dụng :
+ Động cơ dùng nhiên liệu lỏng loại nhẹ – động cơ xăng.
+ Động cơ dùng nhiên liệu lỏng loại nặng – động cơ
điêzen.
+ Động cơ dùng nhiên liệu khí – động cơ gaz
1.2 Phân loại theo quá trình cấp nhiệt
+ Chu trình cấp nhiệt đẳng tích.

+ Chu trình cấp nhiệt đẳng áp.
+ Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp.
CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1. Khái niệm chung
1.3 Phân loại theo số kỳ để thực hiện một chu trình:
a. Động cơ 4 kỳ.
Chu trình làm việc gồm 4 kỳ:
1- Kỳ nạp ; 2- Kỳ nén; 3 – Kỳ cháy và giãn nở; 4 - Kỳ thải
CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1. Khái niệm chung
1.3 Phân loại theo số kỳ để thực hiện một chu trình:
b. Động cơ 2 kỳ.
Chu trình gồm 2 kỳ:
1- kỳ nạp và nén
2- kỳ cháy + giãn nở
và thải
CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1. Khái niệm chung
1.4 Phân loại theo cách đốt cháy nhiên liệu :
a. Động cơ tự cháy:
Việc hỗn hợp giữa nhiên liệu (dầu điêzen) với không khí thực
hiện bên trong xy lanh. Nhiên liệu tự bốc cháy ở cuối quá
trình nén.
 Động cơ điêzen và quá trình cháy đẳng áp hoặc hỗn hợp.
• Tuỳ theo cách đưa nhiên liệu vào xy lanh ta phân ra 2
loại:
Động cơ điêzen cháy đẳng áp (đưa nhiên liệu vào bằng
không khí nén từ máy nén khí);
Động cơ điêzen cháy hỗn hợp (đưa nhiên liệu vào dùng bơm
cao áp và vòi phun, động cơ điêzen ngày nay chế tạo theo

lo
ạ
i n
à
y).
CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1. Khái niệm chung
1.4 Phân loại theo cách đốt cháy nhiên liệu :
b. Động cơ cháy cưỡng bức:
Việc hỗn hợp giữa nhiên liệu (xăng) và không khí được
thực hiện bên ngoài xy lanh. Sự cháy nhiên liệu nhờ tia
lửa điện.
 Động cơ xăng và quá trình cháy là đẳng tích.
CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Một số loại động cơ đốt trong hiện đại ngày nay
CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Chu trình làm việc của các động cơ đốt trong
2. Chu trình lý tưởng của ĐCĐT cấp nhiệt đẳng tích
2.1. Đồ thị chu trình (Hình bên).
T
s
1
v = const
2
3
4
v = const
1
q

2
2
4
p
v
q
1
dq = 0
dq = 0
3
CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.2. Mô tả các quá trình
trong chu trình
+ 1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt
+ 2-3: Quá trình cấp nhiệt đẳng
tích với nhiệt lượng cấp vào là q
1
+ 3-4: Quá trình giãn nở đoạn
nhiệt
+ 4-1: Quá trình nhả nhiệt đẳng
tích với nhiệt lượng nhả ra là q
2