›
›

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 3: Các chu trình nhiệt động

pdf 41 trang ngocly 1450
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 3: Các chu trình nhiệt động", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_ky_thuat_nhiet_chuong_3_cac_chu_trinh_nhiet_dong.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 3: Các chu trình nhiệt động

  1. 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
  2. THUẬN CHIỀU VÀ NGƢỢC CHIỀU T T 2 B A 6 B A 1 3 Tds  Tds 1 5 Tds  Tds A A B A A B B B QAB  QBA QAB  QBA 6 2 4 Q  0 4 Q  0 5 3 s1 s2 s s1 s2 s p p 2 C D C 6 C D C p2 p2 1 3 vdp  vdp 1 5 vdp  vdp C D C D LCD  LDC LCD  LDC 6 2 4 L  0 4 L  0 p  p  1 D 5 1 D 3 v v Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  3. CÔNG CỦA CHU TRÌNH p 2 3 p d( pv) pdv vdp 0 c 2 l >0 pdv vdp 0 n n p d 1 l l l 1 4  i  kti o i 1 i 1 a b v p dq du pdv 3 2 n c p2 qi lo i 1 l0<0 d p1 lo q1 q2 chu trình thuận (động cơ nhiệt) 4 1 lo q1 q2 chu trình ngƣợc (máy lạnh ) a Le Anh Son,b Powerv engineering department, Hua
  4. ht, e, f T1 Q1>0 l q q h o 1 2 TC l >0 t 0 q1 q1 Q2 0 2 e 1 T Le Anh2 Son, Power engineering department, Hua
  5. 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
  6. BIỂU THỨC CỦA EXECGI  Dòng môi chất chuyển động (i,s): e i io To (s so )  Nhiệt lượng q ở nhiệt độ T: T e q 1 o  Execgi > 0 nếu c|c thôngT số của môi chất hoặc nhiệt độ nguồn nhiệt lớn hơn môi trường. |e | = 0 khi c}n bằng với môi trường Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  7. TỔN THẤT EXECGI  Do biến đổi không thuận nghich trong qu| trình hoặc chu trình: et To sh  Trong qu| trình truyền nhiệt: To T1 T2 et q T1T2 Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  8. HIỆU SUẤT EXECGI  C}n bằng thuận: er he ev  C}n bằng ngược (phương ph|p entropy): er ev et e er et  ti he 1 1 1 i ev ev ev Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  9. HIỆU SUẤT NHIỆT CHU TRÌNH CARNOT  Tham khảo t{i liệu Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. CÁC QUÁ TRÌNH CỦA CHU TRÌNH ĐCĐT p p p 3' 3' 3" 2 3" 2 2 4 4 4 1 1 1 v v v T 3' T 3" T 3" 3' 4 4 4 2 2 2 1 1 1 s s s Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  14. CÁC ĐẠI LƢỢNG ĐẶC TRƢNG p 3' 3"  Tỷ số nén (quá trình nén) v1 2 e v2 4  Tỷ số tăng áp (qt cấp nhiệt) 1 p  3 v p2 T 3"  Tỷ số giãn nở sớm (qt cấp nhiệt) 3' 4 2 v v 3" 3" 1 v2 v3' Le Anh Son,s Power engineering department, Hua
  15. HIỆU SUẤT NHIỆT CỦA CHU TRÌNH ĐCĐT p  Cấp nhiệt hỗn hợp 3' 3"  k 1 2 ht 1 k 1 4 e   1 k 1   Cấp nhiệt đẳng |p ( = 1) 1 k 1 h 1 v t ek 1k 1 T 3"  Cấp nhiệt đẳng tích ( = 1) 3' 4 2 1 h 1 t ek 1 1 Le Anh Son,s Power engineering department, Hua
  16. SO SÁNH ht – CÙNG e, q1 T 3' 3" 3 q2 ht 1 2' 4" q1 2 4' q2v q2hh q2 p 4 h h h 1 tv thh tp a b c d s Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  17. SO SÁNH ht – CÙNG q2 , pmax, Tmax T 3 q2 ht 1 3' q1 2" 4" 2' q1p q1hh q1v 2 htp hthh htv 1 a b s Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  18. CHU TRÌNH TUABIN KHÍ Ống  Ch|y đẳng |p: môi tăng tốc chất v{o/ra buồng 3 đốt liên tục, cấu tạo Buồng đốt buồng đốt đơn giản, 2 ít tổn thất qua c|c Bơm van. nhiên liệu  Ch|y đẳng tích: buồng đốt phải có Máy nén van nên cấu tạo phức Tuabin Máy phát 4 điện tạp. Sản phẩm ch|y 1 ra khỏi buồng đốt không liên tục nên cần nhiều buồng đốt.
  19. 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. Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  20. CHU TRÌNH TUABIN KHÍ CẤP NHIỆT ĐẲNG ÁP p 2 3  Tỷ số tăng |p (qu| trình nén): 1 4 p v 2 T  3 p 2 1 4 1  Tỷ số gi~n nở sớm (qu| trình cấp s nhiệt): v 3 v2 q 1  Hiệu suất nhiệt:h 1 2 1 t q k 1 1  k
  21. 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. Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  22. ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC MÁY BAY CÓ MÁY NÉN Ống tăng áp Vòi phun nhiên liệu Ống tăng tốc Máy nén Buồng đốt  Công sinh trong tua bin khí = Tuabin khí S2’3bb’  Công nén khí trong máy nén = Sa’a22’ 4 S2’3bb’ = Sa’a22’ 1 a 2 3 b  Hiệu suất nhiệt (giống chu trình tua bin khí) p 2 3 1 2' p2 b’ b ht 1 k 1  = p2/p1 l{ tỉ số tăngk |p của qu| trình a’ a p1 nén (của động cơ có m|y nén lớn hơn 1 4 của động cơ không m|y nén → hiệu suất nhiệt của động cơ có m|y nén lớn v hơn)
  23. ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC TÊN LỬA Bình chứa nhiên liệu lỏng  Công của chu trình Buồng đốt Ống tăng tốc 1 2 3 4 2 l l l l 1 o kt34 kt21 kt34 2 2   Bình chứa l l ô-xy lỏng kt34 n34 2 2 2 2 2 2 2 3     b 4 3 4  Hiệu2 suất 2nhiệt 2 a 1 4 2 lo 4 v ht q1 2C p T3 T2
  24. ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC TÊN LỬA Bình chứa nhiên liệu lỏng Buồng đốt Ống tăng tốc 1 2  Tốc độ sản phẩm ch|y 3 4 2 ra khỏi tên lửa: 1 Bình chứa ô-xy lỏng p 2 3 b k 1 k k p1  2 RT 1 a 4 3 1 4 k 1 p2 v
  25. 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). Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  26. NGUYÊN LÝ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN, ĐIỆN NGUYÊN TỬ, ĐIỆN MẶT TRỜI, ĐỊA NHIỆT Bộ quá nhiệt Thiết bị 5 4sinh hơi 1 3 Bơm nước cấp Tuabin Máy phát hơi điện Bình ngưng tụ 2 2'
  27. CHU TRÌNH RANKINE (thuận nghịch) p1 T 1 p i K 1 1 p2 5 p2 4 5 2t 2 0 3 = x 4 2t x = 2' 2 1 2'º 3 s s lo i1 i2 lo lT i1 i2; q1 i1 i2'; ht q1 i1 i2'
  28. CHU TRÌNH RANKINE (thực) p1 1 i lT ' i1 i2t p2 h ; 5 oiT l i i T 1 2 2t 2 ' lT ' i1 i2t ht 4 q1 i1 i2' 2'º 3 i1 i2t i1 i2 s i1 i2 i1 i2' hoiTht
  29. SO SÁNH ht CHU TRÌNH RANKINE  Dùng chu trình Carnot tương đương T p K 1 1 T2 ht 1 4 T1tb 5 p2 T1tb 0 3 = x 2t x T2 = 2' 2 1 s
  30. ẢNH HƢỞNG CỦA ÁP SUẤT P1 T p1'  Khi p tăng, T tăng p1 1 1tb K 1' 1 T1 → ht tăng 4' 5'  Khi p tăng, x giảm 1 2 4 5 p2 → hoiT giảm → ht’ có 0 = thể giảm v{ ảnh x hưởng xấu tới sự l{m x = việc của tầng cuối 2'º 3 2" 2 1 Tuabin. s
  31. ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ T1  Khi T tăng, T tăng 1 1tb T p1 → h tăng. K t 1' T1' 1 T1  Khi T1 tăng, x2 tăng → 4 5 p2 hoiT tăng → ht’ tăng. 0 =  Thực tế thường tăng x x = đồng thời p1,T1 (giới 2'º 3 2 2" 1 hạn bởi sức bền vật s liệu).
  32. ẢNH HƢỞNG CỦA ÁP SUẤT P2  Khi p2 giảm, T2 giảm T → ht tăng. K p1  Khi p2 giảm, x2 giảm 1 T1 p2 → hoiT giảm → ht’ có 4 5 p ' 0 2 = thể giảm đồng thời v 2 x tăng l{m tăng kích 2'º 3 T2 2 x T ' = thước c|nh của c|c 2 2" 1 tầng cuối Tuabin. s  p2 bị giới hạn bởi nhiệt độ môi trường.
  33. 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
  34. 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. Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  35. CHU TRÌNH MÁY LẠNH VÀ BƠM NHIỆT KHÔNG KHÍ (khí lý tƣởng) T q1 2 st con = p2 3 3 st con 1 = p1 Bình làm mát 2 4 a b s Máy giãn nở Máy nén q2 q2 1 e 4 Bình lạnh l0 q1 q2 T1 T4 e ; e 1 q2 T2 T1 T3 T4
  36. 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
  37. 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. Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  38. CHU TRÌNH MÁY LẠNH VÀ BƠM NHIỆT DÙNG HƠI (khí thực NH3, R12, R22) q1 T p K 2 2 3 3 p1 Bình ngưng tụ 2 i = Van tiết 0 c lưu o = n x s t 1x Máy nén = 4 1 1 4 Bình bay hơi a b c s q2 q2 i1 i4 e ; e 1 q2 l0 q1 q2 i2 i1 Qo Gq2 G i1 i4 ; N G lo G i2 i1
  39. CHU TRÌNH MÁY LẠNH VÀ BƠM NHIỆT DÙNG HƠI (khí thực NH3, R12, R22) q1 Log(p) K 3 Bình ngưng tụ 2 Van tiết lưu p2 Máy nén 3 2 1 4 Bình bay hơi 0 q2 = x p1 1 4 1 = x i3 = i4 i1 i2 s q q i i e 2 2 1 4 ; e 1 l0 q1 q2 i2 i1 Qo Gq2 G i1 i4 ; N G lo G i2 i1
  40. 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. Le Anh Son, Power engineering department, Hua