Cơ khí chế tạo máy - Các chu trình nhiệt động

Le Anh Son, Power engineering department, Hua ĐỊNH NGHĨA CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG  Chu trình = quá trình khép kín  Chu trình thuận nghịch = chu trình m{ trong đó TẤT CẢ c|c qu| trình đều thuận nghịch.  Chu trình thuận chiều: NHIỆT >>> CÔNG  Chu trình ngược chiều: CÔNG >>> NHIỆT Le Anh Son, Power engineering department, Hua p v p 2 1 2 3 4 5 6 C D p v 1 6 5 4 3 2 p 1 p 2 C D p 1 T ss 1 1 2 3 4 5 6 s 2 A B T ss 1 1 6 5 4 3 2 s 2 A B THUẬN CHIỀU VÀ NGƢỢC CHIỀU      0Q QQ TdsTds BAAB A B B A      0 DC D L LL vdpvdp CD CD C      0Q QQ TdsTds BAAB A B B A      0 DC D L LL vdpvdp CD CD C Le Anh Son, Power engineering department, Hua CÔNG CỦA CHU TRÌNH o n i kt n i i lll vdppdv vdppdvpvd i           11 0)( p v 1 2 3 4 a b c d p 2 p 1 l 0 >0 p v 4 3 2 1 a b c d p 2 p 1 l 0 <0 o n i i lq pdvdudq     1 21 21 qql qql o o   chu trình thuận (động cơ nhiệt) chu trình ngƣợc (máy lạnh...) Le Anh Son, Power engineering department, Hua ht, e, f 1 21 1 q qq q lo t  h 1 21 11 21 22 e    e qq q l q qq q l q o o T 1 TC T 2 Q 1 >0 Q 2 <0 l 0 >0 T 1 NC T 2 l 0 <0 Q 1 <0 Q 2 >0 Le Anh Son, Power engineering department, Hua EXECGI VÀ ANECGI  Execgi l{ phần năng lượng có thể biến đổi ho{n to{n th{nh công cơ học trong qu| trình thuận nghịch: điện, cơ, thế, động năng và, một phần của năng lượng nhiệt.  Anecgi l{ phần năng lượng không thể biến đổi th{nh công cơ học: nhiệt năng của môi trường và một phần của năng lượng nhiệt. Le Anh Son, Power engineering department, Hua BIỂU THỨC CỦA EXECGI  Dòng môi chất chuyển động (i,s):  Nhiệt lượng q ở nhiệt độ T:  Execgi > 0 nếu c|c thông số của môi chất hoặc nhiệt độ nguồn nhiệt lớn hơn môi trường. |e | = 0 khi c}n bằng với môi trường )( ooo ssTiie         T T qe o1 Le Anh Son, Power engineering department, Hua TỔN THẤT EXECGI  Do biến đổi không thuận nghich trong qu| trình hoặc chu trình:  Trong qu| trình truyền nhiệt: hot sTe    21 21 TT TTT qe ot   Le Anh Son, Power engineering department, Hua HIỆU SUẤT EXECGI  C}n bằng thuận:  C}n bằng ngược (phương ph|p entropy): v r e e e h       h  i v ti v t v r e tvr e e e e e e eee 111 Le Anh Son, Power engineering department, Hua HIỆU SUẤT NHIỆT CHU TRÌNH CARNOT  Tham khảo t{i liệu Le Anh Son, Power engineering department, Hua CHU TRÌNH THUẬN CHIỀU  Chu trình chất khí (môi chất có thể coi l{ khí lý tưởng – tính to|n dùng công thức): động cơ đốt trong, tuabin khí, động cơ phản lực.  Chu trình của hơi (môi chất l{ khí thực – tính toán dùng bảng hoặc đồ thị): chu trình Rankine.  Chu trình nhiệt điện: pin nhiệt điện, nhiệt điện tử; động cơ từ-thuỷ động; pin nhiên liệu. Le Anh Son, Power engineering department, Hua GIẢ THIẾT KHI NGHIÊN CỨU CT CHẤT KHÍ  Coi môi chất l{ khí lý tưởng v{ đồng nhất  C|c qu| trình xảy ra đều thuận nghịch  Qu| trình ch|y thay bằng qu| trình cấp nhiệt, qu| trình thải sp ch|y thay bằng qu| trình thải nhiệt (đc đốt trong l{ đẳng tích; tua bin khí v{ đc phản lực l{ đẳng |p).  Coi qu| trình nạp v{ thải triệt tiêu nhau về công v{ biến hệ hở th{nh hệ kín. Le Anh Son, Power engineering department, Hua CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG  Theo nhiên liệu sử dụng: lỏng (xăng, dầu điêzen), khí  Theo số h{nh trình pittông: 2 kỳ, 4 kỳ  Theo qu| trình cấp nhiệt (ch|y): đẳng tích, đẳng |p, hỗn hợp  Theo c|ch đốt nhiên liệu: hỗn hợp ngo{i, ch|y cưỡng bức nhờ tia lửa điện (động cơ xăng, cấp nhiệt đẳng tích); hỗn hợp trong, tự ch|y (động cơ điêzen, cấp nhiệt đẳng |p, hỗn hợp). Le Anh Son, Power engineering department, Hua CÁC QUÁ TRÌNH CỦA CHU TRÌNH ĐCĐT 1 2 3" 4 T s 3' p v 2 3" 1 4 3' p v 2 3" 1 4 1 2 3" 4 T s 1 2 3' 4 T s p v 2 3' 1 4 Le Anh Son, Power engineering department, Hua CÁC ĐẠI LƢỢNG ĐẶC TRƢNG  Tỷ số nén (quá trình nén)  Tỷ số tăng áp (qt cấp nhiệt)  Tỷ số giãn nở sớm (qt cấp nhiệt) 2 1 v v e 1 2 3" 4 T s 3' p v 2 3" 1 4 3' 2 3 p p  '3 "3 2 "3 v v v v  Le Anh Son, Power engineering department, Hua HIỆU SUẤT NHIỆT CỦA CHU TRÌNH ĐCĐT  Cấp nhiệt hỗn hợp  Cấp nhiệt đẳng |p ( = 1)  Cấp nhiệt đẳng tích ( = 1)     11 1 1 1 e  h  kk k t 1 2 3" 4 T s 3' p v 2 3" 1 4 3'  1 1 1 1 e  h  kk k t 1 1 1 e h kt Le Anh Son, Power engineering department, Hua SO SÁNH ht – CÙNG e, q1 1 2 1 q q t h 1 2 3" 4" T s 2' 3' 3 4' 4 a b c d tpthhtv hhh phhv qqq 222  Le Anh Son, Power engineering department, Hua SO SÁNH ht – CÙNG q2 , pmax, Tmax 1 2 1 q q t h tvthhtp hhh vhhp qqq 111  1 2 4" T sa b 2' 2" 3' 3 CHU TRÌNH TUABIN KHÍ  Ch|y đẳng |p: môi chất v{o/ra buồng đốt liên tục, cấu tạo buồng đốt đơn giản, ít tổn thất qua c|c van.  Ch|y đẳng tích: buồng đốt phải có van nên cấu tạo phức tạp. Sản phẩm ch|y ra khỏi buồng đốt không liên tục nên cần nhiều buồng đốt. Buồng đốt Bơm nhiên liệu Tuabin Máy nén Ống tăng tốc 1 2 3 4 Máy phát điện Le Anh Son, Power engineering department, Hua ƢU ĐIỂM CỦA CHU TRÌNH TUABIN KHÍ SO VỚI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG  Thiết bị gọn, nhỏ công suất lớn  Không có cơ cấu biến chuyển động tịnh tiến th{nh chuyển động quay  Số vòng quay đạt được lớn, mô men quay đều, liên tục  Điều khiển đơn giản  Nhược điểm: phải chế tạo được m|y nén có công suất lớn. CHU TRÌNH TUABIN KHÍ CẤP NHIỆT ĐẲNG ÁP  Tỷ số tăng |p (qu| trình nén):  Tỷ số gi~n nở sớm (qu| trình cấp nhiệt):  Hiệu suất nhiệt: p v 2 3 1 4 T s 1 2 3 41 2 p p  2 3 v v  k kt q q 1 1 2 1 11    h Le Anh Son, Power engineering department, Hua CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC Có thể chế tạo động cơ công suất lớn, nhẹ phù hợp với ngành hàng không.  Động cơ phản lực tên lửa: ô-xy cấp cho qu| trình ch|y nhiên liệu lấy từ bình chứa (dạng lỏng). Qu| trình ch|y đẳng |p.  Động cơ phản lực m|y bay: ô-xy cấp cho qu| trình ch|y được lấy từ môi trường. - Động cơ m|y bay không m|y nén: tăng |p suất nhờ ống tăng |p. Qu| trình ch|y đẳng |p hoặc đẳng tích. - Động cơ m|y bay có m|y nén: tăng |p suất nhờ ống tăng |p v{ m|y nén. Qu| trình ch|y đẳng áp. ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC MÁY BAY CÓ MÁY NÉN  Công sinh trong tua bin khí = S2’3bb’  Công nén khí trong máy nén = Sa’a22’ S2’3bb’ = Sa’a22’  Hiệu suất nhiệt (giống chu trình tua bin khí)  = p2/p1 l{ tỉ số tăng |p của qu| trình nén (của động cơ có m|y nén lớn hơn của động cơ không m|y nén → hiệu suất nhiệt của động cơ có m|y nén lớn hơn) Ống tăng áp Máy nén Vòi phun nhiên liệu Buồng đốt Tuabin khí Ống tăng tốc 1 a 2 3 b 4 p v 2 3 1 4 a b p2 p1 2' b’ a’k kt 1 1 1    h ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC TÊN LỬA  Công của chu trình  Hiệu suất nhiệt Bình chứa nhiên liệu lỏng Buồng đốt 1 1 2 2 3 4 Bình chứa ô-xy lỏng Ống tăng tốc v 2 3 1 4 b a  23 2 4 1 2 TTCq l p o t    h 222 22 2 4 2 3 2 4 2 22 3434 342134            nkt ktktkto ll llll ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC TÊN LỬA  Tốc độ sản phẩm ch|y ra khỏi tên lửa: Bình chứa nhiên liệu lỏng Buồng đốt 1 1 2 2 3 4 Bình chứa ô-xy lỏng Ống tăng tốc p v 2 3 1 4 b a                     k k p p RT k k 1 2 1 34 1 1 2 Le Anh Son, Power engineering department, Hua CHU TRÌNH CỦA HƠI  L{ chu trình khí thực, môi chất có sự chuyển pha  Trong vùng hơi b~o ho{ có thể dùng chu trình Carnot nhưng có những hạn chế sau: - Hiệu nhiệt độ không cao (do đều phải < nhiệt độ tới hạn) → hiệu suất nhiệt cũng không cao - Qu| trình ngưng tụ không ho{n to{n nên phải dùng m|y nén rất cồng kềnh.  Rankine đề xuất chu trình gần với chu trình Carnot đối với hơi (sử dụng trong c|c nh{ m|y nhiệt điện). NGUYÊN LÝ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN, ĐIỆN NGUYÊN TỬ, ĐIỆN MẶT TRỜI, ĐỊA NHIỆT Thiết bị sinh hơi Bơm nước cấp Tuabin hơi Bộ quá nhiệt 1 Máy phát điện Bình ngưng tụ 2 2' 3 4 5 CHU TRÌNH RANKINE (thuận nghịch) '21 21 1 '21121 ;; ii ii q l iiqiill otTo    h i s 1 2 2t p1 p2 2'º 3 4 5 T s p1K p2 x = 0 x = 1 1 22' 3 4 5 2t CHU TRÌNH RANKINE (thực) toiT t tT t t T T oiT ii ii ii ii ii ii q l ii ii l l hh h h                         '21 21 21 21 '21 21 1 '' 21 21' ; i s 1 2 2t p1 p2 2'º 3 4 5 SO SÁNH ht CHU TRÌNH RANKINE  Dùng chu trình Carnot tương đương T s p1K p2 x = 0 x = 1 1 22' 3 4 5 2t T1tb T2 tb t T T 1 21h ẢNH HƢỞNG CỦA ÁP SUẤT P1  Khi p1 tăng, T1tb tăng → ht tăng  Khi p1 tăng, x2 giảm → hoiT giảm → ht’ có thể giảm v{ ảnh hưởng xấu tới sự l{m việc của tầng cuối Tuabin. T s p1K p2 x = 0 x = 1 1 22'º 3 4 5 p1' T1 4' 5' 1' 2" ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ T1  Khi T1 tăng, T1tb tăng → ht tăng.  Khi T1 tăng, x2 tăng → hoiT tăng → ht’ tăng.  Thực tế thường tăng đồng thời p1,T1 (giới hạn bởi sức bền vật liệu). T s p1 K p2 x = 0 x = 1 1 22'º 3 4 5 T1'1' 2" T1 ẢNH HƢỞNG CỦA ÁP SUẤT P2  Khi p2 giảm, T2 giảm → ht tăng.  Khi p2 giảm, x2 giảm → hoiT giảm → ht’ có thể giảm đồng thời v2 tăng l{m tăng kích thước c|nh của c|c tầng cuối Tuabin.  p2 bị giới hạn bởi nhiệt độ môi trường. T s p1 K p2 x = 0 x = 1 1 22'º 3 4 5 2" T1 p2' T2 T2' Le Anh Son, Power engineering department, Hua CHU TRÌNH NGƢỢC CHIỀU  Thực hiện qu| trình chuyển nhiệt năng từ nguồn có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao dưới t|c dụng của năng lượng bên ngo{i (công hoặc nhiệt).  Chu trình m|y lạnh: sử dụng nhiệt lấy từ nguồn lạnh.  Chu trình bơm nhiệt: sử dụng nhiệt nhả cho nguồn nóng.  M|y lạnh v{ bơm nhiệt chỉ kh|c nhau khoảng nhiệt độ l{m việc. Le Anh Son, Power engineering department, Hua CÁC PHƢƠNG PHÁP LÀM LẠNH  Sử dụng sự gi~n nở của chất khí (m|y lạnh không khí).  Sử dụng hiệu ứng tiết lưu đoạn nhiệt chất khí (Joule-Thomson) (m|y lạnh ho| lỏng c|c khí).  Sử dụng hiệu ứng nhiệt-điện (hiệu ứng Peltier nghịch).  Sử dụng nhiệt chuyển pha ở nhiệt độ thấp (máy lạnh nén hơi).  Sử dụng hiệu ứng xo|y. CHU TRÌNH MÁY LẠNH VÀ BƠM NHIỆT KHÔNG KHÍ (khí lý tƣởng) 1; 43 4 12 1 21 2 0 2        ee e TT T TT T qq q l q T s 4 3 2 1 a b p2 = c on st p1 = c on st 1 Máy nén Bình lạnh Bình làm mát 2 3 4 Máy giãn nở q2 q1 Le Anh Son, Power engineering department, Hua CHU TRÌNH MÁY LẠNH VÀ BƠM NHIỆT KHÔNG KHÍ (khí lý tƣởng)  Ưu điểm: dùng không khí có sẵn v{ không độc hại, không ảnh hưởng tới môi trường.  Nhược điểm: - e,  nhỏ vì chu trình kh|c xa so với chu trình Carnot (c|c qu| trình trao đổi nhiệt không phải đẳng nhiệt). - Phải dùng m|y gi~n nở nên kích thước lớn.  Dùng trong ngành hàng không vì có thể sử dụng tua bin khí v{ m|y nén của động cơ phản lực. Le Anh Son, Power engineering department, Hua CHU TRÌNH MÁY LẠNH VÀ BƠM NHIỆT DÙNG HƠI (khí thực NH3, R12, R22)  NH3 được dùng trong m|y lạnh (hoặc bơm nhiệt) công nghiệp vì nhiệt ho| hơi của NH3 lớn nên cho công suất lớn.  R12, R22 được sử dụng trong m|y lạnh sinh hoạt vì ở đ}y không đòi hỏi công suất lớn v{ c|c môi chất n{y không độc, không có mùi. CHU TRÌNH MÁY LẠNH VÀ BƠM NHIỆT DÙNG HƠI (khí thực NH3, R12, R22) T s p2 K p1 x = 0 x = 1 2 1 4 3 a b c i = c o n s t 1 Máy nén Bình bay hơi Bình ngưng tụ 2 3 4 Van tiết lưu q2 q1    12412 12 41 21 2 0 2 ; 1; iiGlGNiiGGqQ ii ii qq q l q oo        ee CHU TRÌNH MÁY LẠNH VÀ BƠM NHIỆT DÙNG HƠI (khí thực NH3, R12, R22) Log(p) s p2 K p1 x = 0 x = 1 2 14 3 i2i1i3 = i4 1 Máy nén Bình bay hơi Bình ngưng tụ 2 3 4 Van tiết lưu q2 q1    12412 12 41 21 2 0 2 ; 1; iiGlGNiiGGqQ ii ii qq q l q oo        ee Le Anh Son, Power engineering department, Hua CHU TRÌNH MÁY LẠNH VÀ BƠM NHIỆT DÙNG HƠI (khí thực NH3, R12, R22)  Ưu điểm: - e,  lớn vì chu trình gần với chu trình Carnot (c|c qu| trình trao đổi nhiệt gần đẳng nhiệt). - Môi chất có sự chuyển pha nên khả năng mang nhiệt lớn → thiết bị gọn nhẹ v{ được sử dụng rộng rãi.