Bài giảng Nhiệt động lực học chương 5 (part 5): Chi tiết nhất

Chương 5. Chu trình nhiệt động của một số thiết bị nhiệt

5.1 Chu trình nhiệt động của khí lý tưởng 5.1.1 Chu trình động cơ đốt trong

Động cơ đốt có thành phần chính là cylinder-piston, dùng để truyền chuyển động tịnh tiến của

piston sang chuyển động quay cung cấp công ở đầu ra trên trục.

5.1.2 Phân loại

Đặc điểm chung của ĐCĐT là dùng sản phẩm cháy làm chất môi giới để thực hiện các quá trình: nạp, nén, giãn nở (nổ) và thải (xả). Tuy nhiên chúng cũng có những đặc điểm riêng, và được phân loại như sau:

1. Theo phương pháp đốt

nhiên liệu

Động cơ cháy cưỡng bức và động cơ

tự cháy

2. Theo số hành trình của piston (trong 1 chu trình)

Động cơ 4 thì: piston lên xuống 4 lần để hoàn thành chu trình

Động cơ 2 thì: piston lên xuống 2 lần để hoàn thành chu trình

3. Theo quá trình cấp nhiệt cho động cơ

Chu trình cấp nhiệt đẳng tích

Chu trình cấp nhiệt đẳng áp

Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

Phần dưới sẽ trình bày động cơ theo phân loại cách cấp nhiệt cho ĐCĐT.

141

5.1.3 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích (chu trình Otto)

Dưới đây thể hiện các quá trình trong chu trình cấp nhiệt đẳng tích với động cơ 4 thì

Các quá trình thể hiện trên đồ thị p-v và T-s

Tỷ số nén ﬁ Các thông số đặc trưng của chu trình v=e 1 v 2

p=l p

Tỷ số tăng áp ﬁ

142

Thông số trạng thái tại các điểm đặc trưng trong chu trình

Điểm 

ﬁ đã biết p1 và T1

(cid:215)=

TRvp 1 1

v 1

TR 1 p 1

(cid:215) ﬁ (cid:215)

Điểm 

v 1

ﬁ - là quá trình nén đoạn nhiệt

p 1

v 1 v

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:215) ﬁ (cid:215) (cid:247) (cid:231) ł Ł

T 2

T 1

T 2

T 1

v 1 v

- (cid:246) (cid:230) - (cid:247) (cid:231) (cid:215) ﬁ (cid:215) (cid:247) (cid:231) ł Ł

Điểm 

v 1

ﬁ - là quá trình cấp nhiệt đẳng tích

p 1

(cid:215) e (cid:215) (cid:215)

T 3

T 2

T 1

p p

3 T 3 T 2

- (cid:215) e (cid:215) (cid:215) ﬁ

Điểm 

v 1

ﬁ - là quá trình giãn nở đoạn nhiệt =

=(cid:247)

p 1

p 3 k

v v

v 2 v 1

(cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:231) (cid:231) e ł Ł ł Ł

T 4

T 3

T 1

T 3 1k

v v

- (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:215) (cid:215) - (cid:247) (cid:231) e ł Ł

143

Các thông số năng lượng trong chu trình

(

)

Nhiệt lượng cấp vào chu trình

T 3

T 2

- (cid:215) ,

(

)

Nhiệt lượng thải ra môi trường

T 4

T 1

- (cid:215) ,

Hiệu suất nhiệt của chu trình

q 1

-= 1

=h t

- -

w ct q 1

q 1

q 2 q 1

TT 4 1 TT 2

Ta thế các giá trị T2, T3, T4 vào biểu thức trên

-=h 1

-= 1

- (cid:215) l

1 1k

TT 1 1 1k T 1

T 1

- - - e (cid:215) e - (cid:215) e (cid:215) l

Công sinh ra từ chu trình

(

q 1

- - l (cid:215) (cid:215) e (cid:215) (cid:215) (cid:215) ,

(

T 1 ) ( 1

)1 )1

q 1

Tc v 1

- - e (cid:215) - l (cid:215) (cid:215) - , hoặc

Chú ý:

kmol

» m và ( ) chất môi giới trong hệ thống xem như không khí trong quá trình khảo sát 4,1k »

4,1k »

Đồ thị dưới đây thể hiện hiệu suất chu trình Otto phụ thuộc tỷ số ). nén (với

Đồ thị dưới đây thể hiện hiệu suất chu trình Otto phụ thuộc tỷ số nén và số mũ đoạn nhiệt k.

144

5.1.4 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp (chu trình Diesel)

145

Tỷ số nén ﬁ Các thông số đặc trưng của chu trình v=e 1 v 2

v=r v

Tỷ số giãn nở sớm ﬁ

Thông số trạng thái tại các điểm đặc trưng trong chu trình

Điểm 

ﬁ đã biết p1 và T1

(cid:215)=

TRvp 1 1

v 1

TR 1 p 1

(cid:215) ﬁ (cid:215)

Điểm 

ﬁ - là quá trình nén đoạn nhiệt

146

v 1

p 1

v 1 v

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:215) ﬁ (cid:215) (cid:247) (cid:231) ł Ł

T 2

T 1

T 2

T 1

v 1 v

- (cid:246) (cid:230) - (cid:247) (cid:231) (cid:215) ﬁ (cid:215) (cid:247) (cid:231) ł Ł

Điểm 

ﬁ - là quá trình cấp nhiệt đẳng áp

v 1

r (cid:215) (cid:215) e

p 1

(cid:215)

T 3

T 2

T 1

2 v v

3 T 3 T 2

- (cid:215) e (cid:215) (cid:215) ﬁ

Điểm 

v 1

ﬁ - là quá trình giãn nở đoạn nhiệt

k r=(cid:247)

=(cid:247)

p 1

v v

v 2 v 1

(cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) r (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:231) (cid:231) (cid:231) e ł Ł ł Ł ł Ł

T 4

T 3

T 1

v v

- - (cid:246) (cid:230) r (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) e ł Ł ł Ł

Các thông số năng lượng trong chu trình

)

Nhiệt lượng cấp vào chu trình

( TTc 3 p 2

q 1

- (cid:215) ,

)

Nhiệt lượng thải ra môi trường

( TTc 4 v 1

- (cid:215) ,

Hiệu suất nhiệt của chu trình

147

-= 1

=h t

c v c

w ct q 1

q 2 q 1

TT 1 4 TT 2

- (cid:215) -

Ta thế các giá trị T2, T3, T4 vào biểu thức trên

-=h 1

-= 1

1 (

1 k

- r - (cid:215) r (cid:215) - - - - r (cid:215) e (cid:215) (cid:215) e - (cid:215) e (cid:215) r

)1

TT 1 1 1k T 1

T 1

Công sinh ra từ chu trình

(

q 1

T 1

- - r (cid:215) (cid:215) e (cid:215) (cid:215) (cid:215) ,

)1 (

(

) 1

kg kJ ]1 )

c [ kTc v 1

q 1

- - r - - r (cid:215) e (cid:215) (cid:215) (cid:215) - , hoặc

5.1.5 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

148

149

Tỷ số nén ﬁ Các thông số đặc trưng của chu trình v=e 1 v 2

p=l p

Tỷ số tăng áp ﬁ

v v

v = 4 v 3

Tỷ số giãn nở sớm ﬁ

Thông số trạng thái tại các điểm đặc trưng trong chu trình

Điểm 

ﬁ đã biết p1 và T1

(cid:215)=

TRvp 1 1

v 1

TR 1 p 1

(cid:215) ﬁ (cid:215)

Điểm 

v 1

ﬁ - là quá trình nén đoạn nhiệt

p 1

v 1 v

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:215) ﬁ (cid:215) (cid:247) (cid:231) ł Ł

T 2

T 1

T 2

T 1

v 1 v

- (cid:246) (cid:230) - (cid:247) (cid:231) (cid:215) ﬁ (cid:215) (cid:247) (cid:231) ł Ł

Điểm 

ﬁ - là quá trình cấp nhiệt đẳng tích

150

v 1

p 1

(cid:215) e (cid:215) (cid:215)

T 3

T 2

T 1

p p

3 T 3 T 2

- (cid:215) e (cid:215) (cid:215) ﬁ

Điểm 

v 1

ﬁ - là quá trình cấp nhiệt đẳng áp

p 1

(cid:215) e (cid:215)

T 4

T 3

T 1

v v

- (cid:215) e (cid:215) l (cid:215) (cid:215) (cid:215)

Điểm 

v 1

ﬁ - là quá trình giãn nở đoạn nhiệt

k l=(cid:247)

=(cid:247)

p 1

v v

v 2 v 1

(cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) r (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:215) r (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:231) (cid:231) (cid:231) e ł Ł ł Ł ł Ł

T 5

T 4

T 1

v v

- - (cid:246) (cid:230) r (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:215) r (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) e ł Ł ł Ł

Các thông số năng lượng trong chu trình

Nhiệt lượng cấp vào chu trình

) )

- (cid:215)

)

- (cid:215)

( TTc 3 2 v ( TT 3 ( = TTc 3 v 2

4 q p1

q v1

q v1 q p1 = q 1

( TT 3

- (cid:215) - (cid:215)

)

Nhiệt lượng thải ra môi trường

( TTc 5 v 1

- (cid:215) ,

Hiệu suất nhiệt của chu trình

151

-= 1

=h t

- (cid:215)

)

w ct q 1

q 2 q 1

- (cid:215) - (cid:215)

( TTc v 1 5 ( ) + TTc v 2 3

) ( TTc p 3 4

Ta thế các giá trị T2, T3, T4 vào biểu thức trên

-= 1

{ (

(

) 1

(cid:215)+ k

) } 1

- r (cid:215) l h - e (cid:215) - r (cid:215) l - l

Công sinh ra từ chu trình

{ (

(

) 1

(cid:215)+ k

) } 1

q 1

T 1

- (cid:215) e (cid:215) - r (cid:215) l - l (cid:215) (cid:215) ,

q 1

- , hoặc

5.2 Chu trình tuabin khí

Động cơ đốt trong có hiệu suất nhiệt lớn do làm việc ở nhiệt độ cao, nhưng có khuyết điểm

lớn là sinh công không liên tục, pittông chuyển động qua lại phải qua hệ thống biên, maniven và

bánh đà để chuyển thành chuyển động quay, nên công suất bị hạn chế.

Các nhược điểm này được khắc phục trong loại động cơ đốt trong kiểu quay có tên gọi là

tuabin khí.

Tuabin khí có nhiều ưu điểm:

- Thiết bị gọn nhẹ, công suất lớn. - Không có cơ cấu biến chuyển động thẳng thành chuyển động quay. - Số vòng quay đạt được lớn, momen quay đều và liên tục. - Điều khiển đơn giản. Nhưng việc sử dụng bị hạn chế là do chưa có được những vật liệu làm việc liên tục ở nhiệt độ

cao. Khó khăn trong việc chế tạo được máy nén có công suất lớn, chỉ làm việc được với nhiên liệu

lỏng hoặc khí.

Sơ đồ nguyên lý hoạt động: Sơ đồ tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp được thể hiện trên hình 5-1:

3 IV

III

2 VI II V I

1 4

Hình 5-1. Tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp

152

Nhiên liệu và không khí được máy nén I và bơm II đưa vào buồng đốt III, khi cháy tạo thành

sản phẩm cháy qua cánh tĩnh có dạng ống tăng tốc IV, tốc độ tăng lên, qua cánh động V của tuabin,

động năng giảm sinh công quay máy phát điện VI rồi thải ra ngoài trời.

Quá trình cấp nhiệt có thể là:

- Cháy đẳng áp p = const: ở đây môi chất ra vào buồng đốt một cách liên tục, cấu tạo buồng

đốt đơn giản, ít tổn thất do các van.

- Cháy đẳng tích v = const: buồng đốt phải có các van đóng mở, khi cháy các van phải đóng

lại. Hơn nữa sản phẩm cháy ra khỏi buồng đốt một cách không liên tục, muốn sản phẩm cháy đi vào

tuabin một cách liên tục, phải có nhiều buồng đốt.

Để nghiên cứu nhiệt động học của chu trình ta cần giả thiết:

- Thay quá trình cháy không thuận nghịch bằng quá trình cấp nhiệt thuận nghịch.

- Quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt thuận nghịch.

- Thay quá trình thải sản phẩm cháy và quá trình nạp bằng quá trình thải nhiệt đẳng áp thuận

nghịch.

Với các giả thiết trên ta được chu trình kín.

5.2.1 Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp

Giới thiệu chu trình

Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp trên đồ thị p - v và T - s :

T p

3 p2 = const 3 P1 2 2

1 4 P1 p1 = const 1

s1=s2 s3=s4

Hình 5-2. Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp

1-2 : quá trình nén đoạn nhiệt môi chất trong máy nén; q12 = 0;

2-3 : quá trình cấp nhiệt đẳng áp trong buồng đốt.

153

(5-28) q1 = q23 = Cp.(T3 - T2)

3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong ống tăng tốc và trong tuabin; q43 = 0

4-1: quá trình thải nhiệt đẳng áp.

(5-29) q2 = q41 = Cp.(T1 – T4)

Các đại lượng đặc trưng của chu trình:

p 2 p 1

- Tỷ số tăng áp của quá trình nén: β =

V 3 V 2

- Tỷ số giãn nở sớm (trong quá trình cấp nhiệt): ρ =

2 q 1

(5-30) Hiệu suất của chu trình: ηt = 1 -

2 q 1

T 4 T 3

T 1 T 2

- = 1 - (5-31) ηt = 1 - -

Vậy ta sẽ tìm T2 , T3 , T4 theo β và ρ:

k 1- k



 → T2 = T1.

P 2 P 1

T 2 T 1

Trong quá trình đoạn nhiệt 1-2: - (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) = = (5-32) (cid:247) (cid:231) ł Ł

k 1- k

Trong quá trình cấp nhiệt đẳng áp 2-3:



T 3 T 2

V 3 V 2

= (5-33) = ρ → T3 = T2. ρ = T1. ρ.

P 1 P 2

T 4 T 3

1 k 1 k



T 3 k 

Trong quá trình giãn nở đoạn nhiệt 3-4: - (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) = = (5-34) → T4 = = T1. ρ - - (cid:247) (cid:231) ł Ł

Thay tất cả các giá trị T2 , T3 , T4 vào (5-31) ta được:

T 4 T 3

T 1 T 2

2 q 1

1 k 1 k



- = 1 - = (5-35) ηt = 1 - - -

Ta thấy hiệu suất của chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp chỉ phụ thuộc vào β và k. Khi

tăng β và k hiệu suất chu trình sẽ tăng và ngược lại, nếu trong chu trình kín dùng khí một nguyên tử

với k = 1,67 có thể nâng cao được hiệu suất.

154

5.2.2 Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng tích

Sơ đồ tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp trên đồ thị p-v và T-s:

T p 3 3

v = const

2 2

p = const 1 4 1

s1=s2 s3=s4

Hình 5-3. Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng tích

Các quá trình của chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng tích:

1-2: quá trình nén đoạn nhiệt trong máy nén khí; q12 = 0.

2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng tích trong buồng đốt.

(5-36) q1 = q23 = Cv.(T3 – T2)

3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong ống tăng tốc và trong tuabin;q34 = 0

4-1: quá trình thải nhiệt đẳng áp.

(5-37) q2 = q41 = Cp.(T1 – T4)

Các đại lượng đặc trưng của chu trình:

p 2 p 1

- Tỷ số tăng áp của quá trình nén: β =

P 3 P 2

- Tỷ số tăng áp của quá trình cấp nhiệt: λ =

2 q 1

(5-38) Hiệu suất của chu trình: ηt = 1 -

T 4 T 3

T 1 T 2

2 q 1

- (5-39) = 1 - k. ηt = 1 - -

Vậy ta sẽ tìm T2 , T3 , T4 theo β và λ:

Trong quá trình nén đoạn nhiệt 1-2:

155

k 1- k



 → T2 = T1.

P 2 P 1

T 2 T 1

- (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) = = (5-40) (cid:247) (cid:231) ł Ł

k 1- k

Trong quá trình cấp nhiệt đẳng tích 2-3:



T 3 T 2

P 3 P 2

= (5-41) = λ → T3 = T2. λ = T1. λ.

P 1 P 3

P 1 P 2

P 2 P 3

T 4 T 3

1 k 1 k





Trong quá trình giãn nở đoạn nhiệt 3-4: - - - (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) = = . = . - - (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) ł Ł ł Ł ł Ł

1 k

1. T  1 k 

T 3 k k 1  k

= (5-42) T4 = = T1. → - - -

Thay tất cả các giá trị T2 , T3 , T4 vào (5-39) ta được:

1 1

1 k 

2 q 1

k 1k k

1  k 1 k k   k



- - 1 = 1 - k. = 1 - (5-43) . ηt = 1 - - - - - - .

Nhận xét:

Hiệu suất nhiệt của chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng tích tăng lên khi tăng các đại lượng k,

β, λ . Ngoài ra để nâng cao hiệu suất của chu trình người ta còn bố trí thêm bộ hồi nhiệt và làm mát

đẳng áp giữa quá trình nén đoạn nhiệt.

5.3 Chu trình động cơ phản lực và tên lửa

Khi tăng công suất của động cơ đốt trong pittông sẽ kéo theo tăng khối lượng của thiết bị,

điều này sẽ gây khó khăn cho việc tăng tốc độ của máy bay (tên lửa). Nhưng động cơ phản lực lại có

công suất lớn, thiết bị gọn nhẹ nên ít gây ảnh hưởng đến việc tăng tốc độ. Do đó được sử dụng rộng

rãi trong hàng không và vũ trụ.

Nguyên lý làm việc của động cơ phản lực và tên lửa: là biến hóa năng của nhiên liệu thành

nhiệt năng của quá trình cháy, rồi biến thành động năng của dòng môi chất, tạo nên lực đẩy động cơ

về phía trước.

Nếu trong quãng thời gian Δτ , khối lượng sản phẩm cháy tạo ra là G , vận tốc tăng lên từ ωo

đến ω . Theo định luật Newton xung của phản lực động cơ:

(5-44) F. Δτ = G.Δω

G D

ﬁ F = .( ω - ωo) ≈ g.ω

156

Phân loại:

 Động cơ máy bay: khí oxy dùng cho quá trình cháy được lấy ngay từ môi trường. Động cơ máy

bay có hai loại:

- Động có máy bay không có máy nén: việc tăng áp suất nhờ ống tăng áp. Quá trình cháy có

thể là cháy đẳng áp hoặc cháy đẳng tích.

- Động cơ máy bay có máy nén: việc tăng áp suất ở đây một phần vẫn nhờ ống tăng áp nhưng

phần chủ yếu nhờ máy nén. Quá trình cháy ở đây là đẳng áp.

 Động cơ tên lửa: nhiên liệu (acid nitric, hydrôgen perôxide), khí oxy dùng cho quá trình cháy

được mang theo dưới dạng lỏng và nạp trong động cơ. Vì vậy tên lửa có thể bay ra ngoài không gian

vũ trụ.

5.3.1 Động cơ phản lực (máy bay)

a. Chu trình động cơ phản lực cấp nhiệt đẳng áp (có máy nén)

Sơ đồ chu trình động cơ phản lực cấp nhiệt đẳng áp trên đồ thị p-v và T-s:

T p 3

3 2 3' 2 3' 1'

4 1'

1 4

s1=s2 s3=s4

Hình 6-9. Động cơ phản lực cấp nhiệt đẳng áp

Các quá trình trong chu trình:

1-1' : quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong ống tăng áp.

1'-2: quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong máy nén.

2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng áp trong buồng đốt, nhận nhiệt lượng q1 .

3-3': quá trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy trong tuabin khí, sinh

công để chạy máy nén .

3'-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy trong ống tăng tốc.

4-1: quá trình thải nhiệt q2 đẳng áp cho môi trường.

Ta thấy về mặt chu trình, nó hoàn toàn giống với chu trình của tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp,

nếu vẫn dùng tỷ số tăng áp khi nén β = p2/p1 thì ta có hiệu suất của chu trình:

157

T 4 T 3

T 1 T 2

q 2 q 1

1 1k k

- = 1 - = (5-45) ηt = 1 - - - b

Để tăng hiệu suất của chu trình phải tăng tỷ số nén β .

b. Chu trình động cơ phản lực cấp nhiệt đẳng tích

Sơ đồ chu trình động cơ phản lực cấp nhiệt đẳng tích trên đồ thị p-v và T-s:

T p 3 3

2 2

1 4 1

s1=s2

s3=s4 Hình 6-10. Động cơ phản lực cấp nhiệt đẳng tích

Các quá trình trong chu trình:

1-2 : quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong ống tăng áp.

2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng tích trong buồng đốt, nhận nhiệt lượng q1 .

3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy trong ống tăng tốc.

4-1: quá trình thải nhiệt q2 đẳng áp cho môi trường.

Ta thấy về mặt chu trình, nó hoàn toàn giống với chu trình của tuabin khí cấp nhiệt đẳng

tích, nếu vẫn dùng tỷ số tăng áp khi nén β = p2/p1 và tỷ số tăng áp λ = p3/p2 khi cấp nhiệt thì ta có hiệu

suất của chu trình:

1 1

1 k 

q 2 q 1

k 1k k



- = 1 - . (5-46) ηt = 1 - - -

158

5.3.2 Chu trình tên lửa

Ngày nay, tên lửa được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau. Trong khoa học và dân sự tên

lửa được dùng để phóng các loại vệ tinh và tàu thăm do vũ trụ, còn trong quốc phòng tên lửa được

sử dụng để mang các đầu đạn hạt nhân.

Phân loại tên lửa theo nguồn cấp năng lượng:

- Tên lửa sử dụng nhiên liệu hóa học: loại nhiên liệu lỏng và rắn.

- Tên lửa sử dụng nhiên liệu hạt nhân.

Sơ đồ nguyên lí động cơ phản lực tên lửa:

A 2 2 E F C 4 3 D

2 B 1

Hình 5-4. Sơ động cơ phản lực tên lửa đồ nguyên lý

Động cơ tên lửa bao gồm các bộ phận chính: Bình chứa nhiên liệu lỏng A, bình chứa oxy lỏng

B, bơm nhiên liệu lỏng C, bơm oxy lỏng D, buồng đốt E, ống tăng tốc F.

Sơ đồ chu trình động cơ tên lửa trên đồ thị p-v và T-s:

p T

3 2 3

4 4 1 1

s1=s2

s3=s4 Hình 6-12. Chu trình động cơ phản lực tên lửa cấp nhiệt đẳng áp

Các quá trình trong chu trình:

1-2: quá trình nén đoạn nhiệt nhiên liệu và oxy trong bơm (vì là chất lỏng nên có thể coi là quá trình nén đẳng tích)

2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng áp trong buồng đốt, nhận nhiệt lượng q1.

3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy trong ống tăng tốc.

4-1: quá trình thải nhiệt đẳng áp q2 vào môi trường (thải sản phẩm cháy).

159

Hiệu suất nhiệt của chu trình được xác định như sau:

l ηt = 0 q 1

(5-47)

Công chu trình l0 tính theo công kỹ thuật (bỏ qua công của bơm)

(5-48) l0 = lkt12 + lkt34 = lkt34 - lkt21 ≈ lkt34

Mặt khác công kỹ thuật trong một quá trình:

D 2

(5-49) lkt = ln +

2 3

2 4

Quá trình 3-4 không thực hiện công ngoài (ln = 0) nên:

 - 2

2  4 2

= lkt34 = (bỏ qua ω3 vì rất nhỏ so với ω4)

(5-50) Nhiệt cấp cho chu trình: q1 = q23 = Cp.(T3 - T2)

)

2  4 ( pC T 2

T 2

l ηt = 0 q 1

= (5-51) -

Hiệu suất của động cơ tăng khi tốc độ ω4 tăng, tốc độ của dòng sản phẩm cháy ra khỏi tên lửa

ω4 có thể tính theo công thức ống tăng tốc hỗn hợp.

k kP 1 P 2

- Ø ø (cid:230) (cid:246) k Œ œ - (cid:231) (cid:247) 2 1 (5-52) ω4 = RT 3 Œ œ - k 1 Ł ł Œ œ º ß

Trong đó:

T3 - nhiệt độ ra khỏi buồng đốt vào ống tăng tốc;

p1 - áp suất tại tiết diện ra của ống tăng tốc (p1 = p4);

p2 - áp suất tại tiết diện vào của ống tăng tốc (p2 = p3).

5.4 Chu trình máy lạnh dùng máy nén không khí

Sơ đồ nguyên lý máy lạnh dùng máy nén không khí hình 5-5:

Trong buồng lạnh I không khí nhận nhiệt q2 ở p1 = const làm nhiệt độ của vật giảm xuống đến

yêu cầu. Sau đó được máy nén II hút vào máy nén có áp suất p1 và được nén đoạn nhiệt lên áp suất

p2, nhiệt độ không khí tăng từ T1 đến T2 , rồi đi vào bình làm mát III nhả nhiệt q1 ở áp suất p2 =

const. Ra khỏi bình làm mát không khí đi vào máy giãn nở IV sinh công làm áp suất giảm áp suất và

nhiệt độ.

160

q1 2 3

III IV II

I 4 1

Hình 5-5. Sơ đồ nguyên lý máy lạnh dùng máy nén không khí

Sơ đồ chu trình máy lạnh dùng máy nén không khí trên đồ thị p-v và T-s:

T p 2

2 3

1 1 4 4

s3=s4 s1=s2

Hình 5-6. Chu trình máy lạnh dùng máy nén không khí

Các quá trình trong chu trình:

1-2: quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong máy nén, q12 = 0;

2-3: quá trình làm mát đẳng áp trong bình làm mát;

(5-53) q1 = q23 = Cp.(T3 – T2)

3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong máy giãn nở; q34 = 0;

4-1: quá trình nhận nhiệt q2 đẳng áp trong buồng lạnh;

(5-54) q2 = q41 = Cp.(T1 – T4)

Hệ số làm lạnh của chu trình:

q 1

T( 2

TT 1 4 )T )TT( 3 4

1 T T 2 3 TT 1 4

- = = = (5-55) εt = - - - - - q 2 l 0 - -

Quá trình 1-2 và 3-4 là các quá trình đoạn nhiệt nên:

161

P 2 P 1

T 2 T 1

T 3 T 4

- (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (5-56) = = (cid:247) (cid:231) ł Ł

T T 2 3 TT 1 4

T 2 T 1

T 3 T 4

- = = hay (5-57) -

Thay (5-33) vào (5-31) ta được:

T 2 - T 1

1 T 3 T 4

T 3 - T 4

T 2 T 1

= = (5-58) εt = - - -

Hệ số bơm nhiệt của chu trình:

(5-59) φ = ε + 1

Ưu điểm cơ bản của chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt không khí là dùng không khí có sẵn

và không độc hại.

Nhược điểm hệ số làm lạnh hoặc hệ số bơm nhiệt nhỏ hơn chu trình Carnot vì có hai quá trình

nhận nhiệt và thải nhiệt đẳng áp.

Chu trình phải trang bị máy giãn nở nên kích thước thiết bị lớn, vì vậy hiện nay chỉ còn dùng

nhiều trong ngành hàng không.

5.5 Chu trình thiết bị động lực hơi nước (CHU TRÌNH RENKINE)

Chu trình thiết bị động lực hơi nước làm việc theo chu trình thuận chiều: thiết bị nhận nhiệt từ nguồn nóng và sinh công.

5.5.1 Khái Niệm Chung

Thiết bị làm việc theo chu trình thuận chiều, nếu có hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau, ta thấy theo chiều tự nhiên nhiệt lượng sẽ di chuyển từ nơi có nhiệt độ cao xuống thấp hơn

162

Và nếu đặt thiết bị thích hợp, ta sẽ nhận được công

Đối với thiết bị động lực hơi nước, như tên gọi, chất làm việc trong chu trình làm nhiệm vụ vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn nóng xuống nguồn lạnh để sinh công là nước - hơi nước.

Từ lâu con người đã biết sử dụng hơi nước làm chất môi giới để biến nhiệt thành công:

• Turbine hơi ra đời khoảng năm 1845-1913 được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy nhiệt điện do có công suất lớn, tốc độ quay nhanh. Tuy nhiên áp suất và nhiệt độ hơi vẫn còn tương đối thấp.

• Cho đến khoảng đầu thế kỷ 20 mới ứng dụng hơi có thông số cao vào ngành sản xuất điện (phụ thuộc vào sự phát triển của ngành vật liệu).

5.5.2 Chu trình thiết bị động lực hoạt động theo chu trình Carnot

Quá trình biến đổi pha kèm theo trao đổi nhiệt lượng lớn nên luôn được khảo sát để ứng dụng, với lý do này chu trình sẽ hoạt động trong vùng hơi ẩm như hình bên dưới

163

Khảo sát chu trình Carnot làm việc ổn định theo hình a

Lưu chất nhận nhiệt theo quá trình đẳng nhiệt thuận nghịch 1-2 trong lò hơi, giãn nở đoạn nhiệt thuận nghịch trong turbine 2-3, ngưng tụ theo quá trình đẳng nhiệt thuận nghịch 3-4 trong bình ngưng, cuối cùng được nén đoạn nhiệt thuận nghịch để quay lại trạng thái ban đầu.

Nhận xét về các quá trình khi thực hiện trong thực tế

1. Quá trình trao đổi nhiệt đẳng nhiệt trong thực tế có thể thực hiện được do chỉ cần duy trì áp suất thì nhiệt độ sẽ tương ứng với nhiệt độ bão hòa, và quá trình 1-2 và 3-4 phải thực sự làm việc với lò hơi và bình ngưng. Tuy nhiên, nhiệt độ cực đại trong chu trình bị giới hạn bởi nhiệt độ tới hạn (~374oC đối với nước), và điều này làm giới hạn hiệu suất nhiệt của chu trình. Để tăng hiệu suất nhiệt thì phải tăng nhiệt độ cực đại trong chu trình, và lưu chất phải trao đổi nhiệt với trạng thái dòng một pha, tuy nhiên điều này khó thực hiện được cho quá trình đẳng nhiệt.

2. Quá trình giãn nở đoạn nhiệt 2-3 chỉ có thể thực hiện được với turbine có thiết kế chế tạo lý tưởng. Độ khô của hơi giảm liên tục trong quá trình, độ ẩm cuối quá trình tăng lên nhiều có thể gây ra các sự cố cho tầng cuối turbine do va chạm thủy lực giữa cánh turbine và các giọt nước ngưng tụ. Độ khô cuối quá trình giãn nở không được nhỏ hơn 90% trong thiết bị thực tế nhà máy nhiệt điện.

3. Quá trình nén đoạn nhiệt 4-1 đưa hơi bão hòa ẩm đến trạng thái lỏng sôi. Có hai vấn đề khó khăn cho quá trình này.

• Không dễ dàng điều khiển thiết bị ngưng tụ để cuối quá trình nén là điểm 4 • Thực tế máy nén không làm việc với dòng 2 pha. Với những khó khăn trên, chu trình Carnot được sử dụng theo cách khác, ví dụ như hình b ở trên. Có hai vấn đề cho sơ đồ hoạt động này là quá trình nén đoạn nhiệt với áp suất rất cao và quá trình trao đổi nhiệt đẳng nhiệt thực hiện với áp suất thay đổi.

Với các lý do trên, thực tế không sử dụng chu trình Carnot.

5.5.3 Các thiết bị chính trong chu trình thiết bị động lực hơi nước

164

Mô tả các bộ phận chính và nhiệm vụ trong chu trình

a. Lò hơi

Lò hơi được sử dụng để biến hóa năng thành nhiệt năng (quá trình đốt cháy nhiên liệu) ﬁ tạo ra hơi có áp suất và nhiệt độ cao

165

Các thông số chính của lò hơi:

Áp suất và nhiệt độ

hkg

Sản lượng hơi trong một giờ Gh,

Có thể tạo ra hơi bão hòa hay hơi quá nhiệt (trường hợp này có thêm bộ quá nhiệt)

Người ta phân loại lò hơi như sau:

Theo sản lượng hơi:

o Công suất nhỏ: dưới 10 ht

o Công suất lớn: trên 75 ht

Theo áp suất:

o Lò áp suất thấp: dưới 20 bar o Lò áp suất cao: trên 60 bar

Ngoài ra còn phân loại theo cách đốt nhiên liệu (than đá, dầu hay khí)

b. Turbine hơi

166

Turbine hơi là phần thiết bị biến năng lượng nhiệt thành công cơ học.

Bộ phận chính của turbine hơi: rotor với các cánh (gọi là tầng cánh động) và phần tĩnh cũng có các cánh để phun hơi vào cánh rotor.

Turbine hơi ngoài nhiệm vụ chính quay máy phát điện còn có loại có thể cung cấp cả nhiệt (turbine trích hơi, turbine đối áp)

c. Thiết bị ngưng tụ

167

Thiết bị động lực hơi nước làm việc theo chu trình thuận chiều, theo định luật nhiệt động thứ hai: nó phải nhả một phần nhiệt lượng nhận được ra cho nguồn lạnh (trường hợp này là môi trường).

Có thể xả trực tiếp hơi sau khi giãn nở trong turbine ra môi trường (áp suất bằng áp suất môi trường nhưng nhiệt độ thì cao hơn).

Thực tế người ta không làm như vậy mà sử dụng thiết bị ngưng tụ để khắc phục 2 nhược điểm cơ bản nếu xả trực tiếp hơi:

hiệu suất nhiệt được nâng cao.

Tạo độ chân không thấp ở tầng cuối của turbine (turbine sẽ giãn nở sinh công được thêm một đoạn nữa mà vẫn đảm bảo nhiệt độ vẫn cao hơn môi trường để nhả nhiệt lượng) ﬁ Thu hồi lại lượng nước có chất lượng cao (nếu thải bỏ thì phải tốn chi phí xử lý nước mới để cung cấp cho lò hơi).

168

169

d. Bơm nước cấp

Nước sau khi ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có áp suất thấp cần phải được nâng áp suất lên bằng cách sử dụng bơm để cung cấp vào lò hơi.

5.5.4 Chu Trình Rankine

(Chu trình cơ bản của thiết bị động lực hơi nước)

Chu trình Carnot thực tế không thể thực hiện được do một số nguyên nhân đã phân tích, dựa trên cơ sở chu trình Carnot và được điều chỉnh lại cho phù hợp với thực tế vận hành, ta có chu trình Rankine như thể hiện trên đồ thị T-s

Các quá trình trong chu trình Rankine

Quá trình 1-2: Nén đoạn nhiệt ở bơm

Quá trình 2-3: Cung cấp nhiệt đẳng áp trong lò hơi

Quá trình 3-4: Giãn nở đoạn nhiệt trong turbine

170

Quá trình 4-1: Thải nhiệt đẳng áp trong bình ngưng

Các thiết bị chính trong chu trình Rankine

a. Phân tích năng lượng trong chu trình

Chu trình thiết bị động lực hơi nước hoạt động theo chu trình kín, tuy nhiên khi xét năng lượng trao đổi ở các thiết bị thì phải tách riêng ra như một thống nhiệt động mới, và nó là hệ hở

D+

Phương trình năng lượng cho hệ hở

kJ[q

]kg

kJ[w

]kg

kJ[i

]kg

]kW[Q

+ ]skg[G]kW[W

kJ[i

]kg

(cid:229) (cid:229) (5-61) D · (cid:229) (cid:229)

Phương trình trên tính năng lượng trao đổi ứng với 1 kg lưu chất

171

 Công trao đổi ở bơm 1-2

Quá trình giả thiết là đoạn nhiệt, chỉ có công cung cấp vào chu trình

,i 1 =

kJ[w]skg[G]kW[N

]kg

(5-62) ·

]kgm[v~i 1

) ]Pa[p 1

- Có thể xác định công bơm theo công thức ( · - · - (5-63)

 Nhiệt lượng cấp vào ở lò hơi 2-3

q 1

-= i 3

Quá trình đẳng áp và không có trao đổi công

,i 2 =

kJ[q]skg[G]kW[Q

]kg

(5-64) ·

Lưu ý:

Lò hơi chỉ sản sinh ra hơi bão hòa khô (xuất phát từ trạng thái lỏng sôi trong lò hơi) – thường là lò công nghiệp. Trường hợp nhà máy nhiệt điện cần sử dụng hơi quá nhiệt thì hơi bão hòa được dẫn qua bộ gia nhiệt (bộ quá nhiệt) để nâng nhiệt độ hơi bão hòa lên trạng thái quá nhiệt.

 Công sinh ra ở turbine 3-4

,i 4 =

kJ[w]skg[G]kW[N

]kg

Quá trình giả thiết là đoạn nhiệt, chỉ có công trao đổi -= i 3 (5-65) ·

 Nhiệt lượng thải ở bình ngưng 4-1

Quá trình đẳng áp và không có trao đổi công

,i 1 =

kJ[q]skg[G]kW[Q

]kg

(5-66) ·

Lưu ý: Nước ngưng tụ từ bình ngưng xem như ở trạng thái lỏng sôi

172

 Công sinh ra từ chu trình

Ơ turbine ta nhận được công, tuy nhiên để chu trình vận hành thì phải tiêu tốn công bơm, công

thực sự nhận được từ chu trình là = -

]kg

· (5-67)

,www T P kJ[w]skg[G]kW[N kW,NNN

qwww 1

= kW,QQNNN

(

)

- - Với phương trình bảo toàn năng lượng cho chu trình = ,q 2 (5-68) - -

i 1

i (

)

N Q

w q

ww T q

4 i

( i

- - - - A. Hiệu suất nhiệt của chu trình i h , % (5-69) -

-= 1

Q Q

q q

i i

i 1 i

- h , % (5-70) -

w << P nhiệt.

Lưu ý: Công cung cấp cho bơm chiếm một tỷ lệ rất nhỏ so với công sinh ra ở turbine , nên thông thường người ta bỏ qua công bơm khi tính toán hiệu suất

Xem như điểm 2 trùng với điểm 1: năng lượng đi vào chu trình ở bơm được chuyển sang nhiệt lượng đi vào:

w q

i i

Bỏ Qua Công Bơm

t,p 0

K t,p

2 ”

- h (5-71) , % -

173

b. Xác định trạng thái tại các điểm đặc trưng

Các thông số ban đầu

a. Áp suất làm việc trong lò hơi po

b. Nhiệt độ trước khi giãn nở ở turbine t3

c. Nhiệt độ hoặc áp suất ngưng tụ, tk hoặc pk

d. Trạng thái nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ luôn được giả thiết ở trạng thái lỏng sôi

Trạng thái  Trạng thái  ra khỏi thiết bị ngưng tụ, vào bơm luôn được giả thiết ở trạng thái lỏng sôi, từ áp suất ngưng tụ pk hoặc nhiệt độ ngưng tụ tk tra bảng bão hòa của nước

baûng

baõo

hoøa

i 1 v 1

(cid:236) (cid:239) (cid:190) (cid:190) (cid:190) (cid:190) ﬁ (cid:190) (cid:237)

s 1

(cid:239) (cid:238)

Trạng thái  Trạng thái  ra khỏi bơm, giả thiết quá trình  ﬁ  nén đoạn nhiệt thuận nghịch và lưu ý trường hợp lưu chất lỏng giọt thì thể tích hầu như thay đổi rất ít khi thay đổi áp suất

v~v 1 =

s 1

(cid:236) ﬁ (cid:237) (cid:238)

(

3 ]kgm[v 1

+= wi 1

+= i 1

- · - · (5-12) Enthalpy xác định từ phương trình tính công bơm 5-3 ) ]Pa[p 1

Trạng thái  Trạng thái quá nhiệt  trước khi giãn nở trong turbine đã được cho nhiệt độ và áp suất, tra bảng quá nhiệt:

i 3 s

(cid:236) (cid:239) ﬁ (cid:237) (cid:239) (cid:238)

Trạng thái  Trạng thái hơi  sau khi giãn nở trong turbine, tùy số liệu cụ thể của bài toán mà có thể là hơi quá nhiệt, hơi bão hòa khô hay hơi bão hòa ẩm (thông thường chiếm đa số)

Quá trình  ﬁ  giãn nở đoạn nhiệt thuận nghịch đến pk

(cid:236) (cid:237) (cid:238)

174

Từ áp suất ngưng tụ pk hoặc nhiệt độ ngưng tụ tk bảng bão hòa ﬁ tra entropy ở trạng thái hơi bão hòa khô s”

ﬁ  là trạng thái hơi quá nhiệt, sử dụng bảng hơi quá nhiệt để xác định

s4 enthalpy i4 và thể tích riêng v4 s4 trạng thái này được cho trước =

ﬁ  là trạng thái hơi bão hòa khô, trường hợp này hiếm khi gặp trừ phi

(cid:236) (cid:237) (cid:238)

"s s4 xác định độ khô

ﬁ  là trạng thái hơi bão hòa ẩm, là bài toán thường gặp trong thực tế, hãy

s 's 4 's"s

)

Enthalpy và thể tích riêng xác định từ công thức

)

x'i +=

4 x'v

4 v

( 'i"i ( 'v"v

- · (cid:236) (cid:237) - · (cid:238)

c. Suất tiêu hao nhiên liệu và lưu lượng nước giải nhiệt

Suất tiêu hao nhiên liệu

Nhiệt lượng cung cấp từ nhiên liệu

kW,

(5-13) h

kg,

snl

Suất tiêu hao nhiên liệu

(5-14)

,6,3

taán

hnl

]skJ[Q nl kJ[E ]kg nl ]skJ[Q nl kJ[E ]kg nl

Trong đó

Q1 nhiệt lượng cung cấp cho chu trình từ lò hơi, kW

h hiệu suất nhiệt của lò hơi, %

Enl

nhiệt trị của nhiên liệu, là nhiệt lượng sinh ra đi đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu,

175

Lưu lượng nước giải nhiệt

Là lưu lượng cần thiết qua thiết bị ngưng tụ để lấy đi nhiệt lượng Q2 thải vào môi trường.

Theo quy tắc bảo toàn năng lượng, nhiệt lượng do nước nhận vào bằng nhiệt lượng do hơi nhả ra trong quá trình ngưng tụ (đã bỏ qua nhiệt lượng tỏa trực tiếp vào không khí xung quanh do có nhiệt độ cao hơn)

= cGQ

= Qt n

pn Q

D (cid:215) (cid:215)

skg,

(5-15) ﬁ D (cid:215)

3600

3 hm,

V n

]skg[G n 3 ]mkg[

· (5-16) r

Trong đó

nt cpn

D chênh lệch nước giải nhiệt qua bình ngưng, oC

)K.kg(kJ

nhiệt dung riêng đẳng áp của nước, tra theo nhiệt độ trung bình hoặc lấy giá trị 4,18

khối lượng riêng của nước, tra theo nhiệt độ trung bình hoặc lấy giá trị 1000 3mkg

d. Chu trình hoạt động thực tế

Các quá trình đoạn nhiệt thực tế luôn làm gia tăng entropy, sự lưu động luôn có tổn thất áp suất, với các điều này hình bên dưới thể hiện sự thay đổi trạng thái trong các quá trình

176

Trong đó tính không thuận nghịch trong bơm và đặc biệt trong turbine có ảnh hưởng đến hiệu quả của chu trình nhiều hơn cả

177

Mức độ không thuận nghịch được đặc trưng bởi thông số gọi là hiệu suất trong

i i

i 1 i 1

- h (5-17) Hiệu suất trong của bơm -

i 3 i

i i

- h (5-18) Hiệu suất trong turbine -

< 1P

< 1T

h h , thực tế sẽ làm tiêu tốn công ở bơm lớn hơn và công sinh từ

Như vậy với turbine thì nhỏ hơn

i 1

)

- (5-19) Công bơm thực h

( i

- · (5-20) Công turbine thực

e. Ảnh Hưởng Của Thông Số Hơi Đến Hiệu Suất Nhiệt của Chu Trình

178

Ta sẽ xét ba yếu tố cơ bản ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của chu trình: áp suất và nhiệt độ của hơi trước khi giãn nở, áp suất sau khi giãn nở.

Để thuận tiện cho quá trình nhận xét, ta đưa ra khái niệm nhiệt độ trung bình của nước trong quá trình nhận nhiệt và nhả nhiệt Ttb

Hiệu suất nhiệt được đánh giá bằng công thức đồng dạng với công thức sử dụng trong chu trình Carnot:

1 -=

T tb2 T tb1

h (5-21)

Lưu ý: Khi khảo sát ảnh hưởng của thông số nào thì ta giữ cố định hai thông số còn lại.

 Ảnh hưởng của áp suất hơi ra khỏi turbine

Ta theo dõi sự thay đổi này trên đồ thị T-s

Trên đồ thị T-s ta thấy: nhiệt độ trung bình trong quá trình nhận nhiệt T1tb không đổi, nhiệt độ h trung bình trong quá trình nhả nhiệt T2tb giảm. Theo 5-21 ta thấy hiệu suất nhiệt tăng.

h Hay diện tích phần màu đỏ thể hiện phần công sinh ra từ chu trình tăng lên. Nhiệt lượng cung cấp cho chu trình có tăng nhưng rất nhỏ (đoạn 2’-2) và nhiệt lượng nhả ra môi trường giảm mạnh. Vậy rõ ràng hiệu suất nhiệt tăng.

179

h Kết luận: của chu trình

Khi giảm nhiệt độ hơi ở tầng cuối turbine thì hiệu suất nhiệt tăng.

Nhiệt độ hơi trong quá trình nhả nhiệt trong thiết bị ngưng tụ giảm đến đâu còn phụ thuộc vào môi trường nơi đặt thiết bị (cụ thể là nhiệt độ môi trường)

Trong trường hợp này độ khô ở tầng cuối của turbine giảm, lưu ý độ độ cho phép hoạt động để tránh hiện tượng xâm thực của các giọt lỏng vào cánh turbine.

Khi áp suất ngưng tụ giảm thì hoạt động ở độ chân không càng lớn hơn nên sự xâm nhập của không khí môi trường vào càng lớn, gây ra một số bất lợi trong hoạt động

Ví dụ nhà máy nhiệt điện sử dụng nước từ một con sông để giải nhiệt, giả sử nước sông là 15oC, để đảm bảo truyền nhiệt thì hơi sẽ ngưng tụ ở khoảng 25oC, áp suất hơi bão hòa tương ứng 3,2 kPa, đây là một giá trị rất nhỏ so với áp suất môi trường 100 kPa

 Ảnh hưởng của nhiệt độ hơi vào turbine

Ta theo dõi sự thay đổi của chúng trên đồ thị T-s

Trên đồ thị T-s ta thấy: nhiệt độ trung bình trong quá trình nhận nhiệt T1tb tăng, nhiệt độ trung h bình trong quá trình nhả nhiệt T2tb giữ không đổi. Theo 5-21 ta thấy hiệu suất nhiệt tăng.

Hoặc chu trình mới diện tích phần màu đỏ có hiệu suất cao hơn chu trình cũ. Hiệu suất trung bình của hai chu trình trn sẽ tăng hơn so với hiệu suất chu trình cũ.

180

h Kết luận: Khi tăng nhiệt độ hơi trước turbine thì hiệu suất nhiệt của chu trình tăng.

Nhiệt độ hơi tăng được đến đâu là phụ thuộc chủ yếu vào sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu.

Trong trường hợp này độ khô ở tầng cuối của turbine tăng lên, có lợi cho vận hành tránh được sự xâm thực của các giọt lỏng vào cánh turbine.

 Ảnh hưởng của áp suất hơi nước đầu vào

Ta xét trường hợp tăng áp suất hơi trước giãn nỡ, sự thay đổi này được biểu diễn trên đồ thị T-s

h Kết luận: Khi tăng áp suất hơi trước turbine thì hiệu suất nhiệt của chu trình tăng.

Tuy nhiên áp suất hơi tăng được đến đâu còn phụ thuộc chủ yếu vào sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu.

Một điều cần hết sức lưu ý là khi tăng áp suất hơi và giữ nguyên các thông số còn lại, độ khô ở tầng cuối của turbine giảm, điều này có nghĩa là các giọt nước ngưng tụ lại nhiều hơn, và sự va đập của chúng sẽ làm hư hỏng bề mặt cánh turbine (turbine quay với vận tốc rất lớn khoảng trên 3.000 vòng/phút)

181

Ap suất hoạt động của lò hơi ngày càng tăng. Khoảng 2,7 MPa vào năm 1922 và hiện nay có thể hoạt động với áp suất 30 MPa hoặc cao hơn (lớn hơn áp suất tới hạn 22,06 MPa nên còn gọi áp suất siêu tới hạn)

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ tuật, công suất các tổ máy có thể lên tới 1000 MW hoặc thậm chí cao hơn

5.5.5 Chu Trình Có Quá Nhiệt Trung Gian a. Đặt vấn đề

Như ở phần trên đã khảo sát, muốn nâng cao hiệu suất nhiệt thì phải nâng cao thông số hơi đầu vào. Tuy nhiên có thể dẫn đến khả năng độ khô ở tầng cuối của turbine bị giảm xuống gây bất lợi trong vận hành.

Để tránh trường hợp trên người ta không cho hơi giãn nở trực tiếp từ áp suất p0 xuống áp suất pK, mà chỉ giãn nở đến một áp suất trung gian ptg nào đó thì được dẫn qua bộ phận gia nhiệt trước khi tiếp tục giãn nở đến áp suất pK.

Hơi trước khi vào turbine để giãn nở ở tầng dưới thường là hơi quá nhiệt, nên bộ phận gia nhiệt ở trên có tên gọi là bộ quá nhiệt trung gian.

Sơ đồ thiết bị được biểu diễn như minh họa dưới đây

182

Lưu ý: Việc sử dụng bộ quá nhiệt trung gian thật ra không chỉ đơn thuần là làm tăng độ khô ở tầng cuối turbine, điều quan trọng hơn là nó làm tăng hiệu suất nhiệt của chu trình.

183

Các quá trình nhiệt động của sơ đồ có quá nhiệt trung gian được biểu diễn trên đồ thị T-s dưới đây

Lưu ý: Trạng thái hơi sau giãn nở trong turbine cao áp cũng như hơi sau turbine hạ áp, có thể là hơi quá nhiệt, hơi bão hòa khô hay hơi bão hòa ẩm tùy điều kiện bài toán.

Nhiệt độ hơi sau bộ quá nhiệt trung gian (trạng thái 5) thông thường bằng nhiệt độ hơi quá nhiệt trước khi vào turbine cao áp (trạng thái 3)

184

b. Các thành phần năng lượng đặc trưng  Nhiệt lượng cấp vào 2-3 và 4-5

Chu trình nhận nhiệt lượng từ ba thiết bị: lò hơi, bộ quá nhiệt cao áp và bộ quá nhiệt trung gian

( i

) ,

q 1

Trong chu trình là quá trình 2-3 và 4-5 ) + - -

i =

kJ[q]skg[G]kW[Q

]kg

(5-22) ·

 Nhiệt lượng thải ở bình ngưng 5-1

,i 1 =

kJ[q]skg[G]kW[Q

]kg

)

(5-23) ·

( i

) ,

CA T

HA T kJ[w]skg[G]kW[N

5 ]kg

- -  Công sinh ra từ Turbine 3-4 và 5-6 ( = = i (5-24) ·

 Công sinh ra từ chu trình = -

,www T P kJ[w]skg[G]kW[N

]kg

· (5-25)

kW,NNN

qwww 1

= kW,QQNNN

- - Với phương trình bảo toàn năng lượng cho chu trình = ,q 2 (5-26) - -

)

 Hiệu suất của chu trình

( i

i 1

)

N Q

w q

i 4 ( i

( i i

i 6 ( i

( i i

- - - - h , % (5-27) - -

-= 1

)

(

)

q q

Q Q

i 1 ( i

- h , % (5-28) - -

185

5.5.6 Chu trình hồi nhiệt

Ta quan sát lại các quá trình của chu trình Rankine cơ bản

Quá trình nhận nhiệt từ buồng đốt trong lò hơi được chia làm hai giai đoạn 2-2’ và 2’-3. Trong đó giai đoạn 2-2’ có thể nhận nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp hơn thay vì lấy nhiệt lượng từ buồng đốt có khả năng gia nhiệt cho đối tượng có nhiệt độ cao hơn 2’-3

Nhiệt lượng cần gia nhiệt từ trạng thái 2 có thực tế có thể được cung cấp từ hơi trích từ turbine. Quá trình gia nhiệt này gọi là quá trình hồi nhiệt. Việc làm này làm tăng hiệu suất nhiệt của chu trình là do:

Giảm tính bất thuận nghịch trong quá trình nhận nhiệt (lấy nhiệt từ hơi trích có nhiệt độ thấp hơn trong buồng đốt)

Hơi trích sau khi sinh công một phần thì phần còn lại dùng gia nhiệt cho nước cấp (cho lò hơi sau bơm) và không phải truyền nhiệt lại cho môi trường qua bình ngưng

Có hai loại bình gia nhiệt cho quá trình hồi nhiệt: loại hỗn hợp (open feedwater heater) và loại bề mặt (closed feedwater heater)

a. Chu trình hồi nhiệt sử dụng bình hồi nhiệt hỗn hợp

186

Ở bình hồi nhiệt kiểu hỗn hợp, hơi trích từ turbine được cho giãn nở trực tiếp vào dòng nước cấp, ở sơ đồ này áp suất ở bình hồi nhiệt có áp suất nhỏ hơn áp suất trong lò hơi nên cần phải có thêm một bơm nữa

Sơ đồ bên trên thể hiện với 1 kg hơi từ lò hơi thì y là % lượng hơi trích để hồi nhiệt, y được xác định từ phương trình trao đổi nhiệt

% hơi trích y

6 GGy =

(5-29)

Hình bên dưới thể hiện các quá trình trên đồ thị T-s

187

-= i 5

q 1

)

(5-30) Nhiệt lượng cung cấp cho chu trình từ lò hơi ,i 4

( -= y1

( i

) ,

)

- · (5-31) Nhiệt lượng nhả ra môi trường qua bình ngưng q i 1

( i

( -+ y1

( i

) ,

)

Công sinh ra từ turbine = - · - (5-32)

( i

) ,

i 1

- · - (5-33) Công sinh tiêu tốn cho bơm nước cấp ( -+ w y1

Công sinh ra từ chu trình

qwww 1

- - (5-34)

Hiệu suất nhiệt

w q

ww T q

- h (5-35)

188

-= 1

w q 1

q 2 q 1

h (5-36)

b. Chu trình hồi nhiệt sử dụng bình hồi nhiệt bề mặt

Sơ đồ sử dụng một bình hồi nhiệt loại trao đổi nhiệt bề mặt

189

Sơ đồ sử dụng một bình hồi nhiệt loại trao đổi nhiệt bề mặt, một bình hồi nhiệt loại hỗn hợp

190

Chu trình thiết bị động lực hơi nước sử dụng một bình hồi nhiệt loại hỗn hợp và ba bình hồi nhiệt kiểu bề mặt

5.5.7 Hệ thống đồng phát (Cogeneration)

Hệ thống đồng phát được định nghĩa là cung cấp nhiều hơn một dạng năng lượng đầu ra (thường là điện và nhiệt)

Ơ xứ ta do đặc điểm là xứ nóng nên nhu cầu sử dụng nhiệt không cao, tuy nhiên ở các xứ lạnh thì nhu cầu sử dụng năng lượng nhiệt (cho sưởi ấm) rất lớn và thường sử dụng hệ thống đồng phát năng lượng cogeneration vừa cung cấp nhiệt vừa cung cấp điện

Lý thuyết và thực tế đã chứng minh: việc sử dụng kết hợp các hệ thống năng lượng với nhau bao giờ cũng đem lại hiệu quả sử dụng cao hơn khi dùng hệ thống riêng lẻ

Sơ đồ một hệ thống sử dụng nhiệt đơn giãn bằng hơi nước

191

Hệ thống lò hơi sử dụng nhiệt trong công nghiệp trên phục vụ trong ngành thực phẩm, hóa chất, nhà máy giấy, …

)75 ‚

bar và nhiệt

) C

200

‚ độ ( Lò hơi trong công nghiệp thường sử dụng hơi bão hòa với áp suất khoảng ( 150

Năng lượng truyền đến hơi nước thông thường là quá trình đốt cháy than đá, dầu mỏ hoặc khí thiên nhiên hay một loại nhiên liệu nào đó trong buồng đốt

Nhiệt độ trong buồng đốt thông thường rất cao, khoảng ~1400oC. như vậy chỉ sử dụng hơi cho các mục đích công nghiệp thì không tận dụng hết khả năng của nguồn nhiệt có nhiệt thế cao này

Nếu kết hợp với hệ thống phát điện như sơ đồ bên dưới thì hiệu quả sử dụng năng lượng sẽ tăng lên rất khác biệt khi dùng riêng lẻ

192

Sơ đồ này hoạt động lý tưởng, thực tế còn có các tổn thất khác

Hiệu quả sử dụng năng lượng

+ qw q

h (5-37)

-= 1

q q

h (5-38)

Thực tế sử dụng hệ thống chu trình đồng phát nhiệt – điện theo sơ đồ sau

193

194

Nhiệt lượng cung cấp cho chu trình từ lò hơi

( iGQ

) kW,

- (cid:215) (5-39)

- (cid:215) (5-40)

( iGQ

) kW,

Nhiệt lượng nhả ra môi trường qua bình ngưng i 1

Nhiệt lượng cung cấp cho chu trình nhiệt

kW,iGiGiGQ 6

(cid:215) - (cid:215) (cid:215) (5-41)

)

- (cid:215) - (cid:215) - (5-42)

) ( i

) kW,

Công sinh ra từ turbine ( GG 4

( iG 7

)

- · - (cid:215) (5-43) Công sinh tiêu tốn cho bơm nước cấp i

( iGN

( i

) kW,

i 1

Công sinh ra từ chu trình

= QQQNNN

- - - (5-44)

Hiệu suất nhiệt

-= 1

+ QN Q

+ QN P Q

Q Q

- h

(5-45)

5.5.8 Chu trình ghép

Nhiệt độ trong buồng đốt thường khá cao ~1400oC so với khả năng nhận nhiệt của hơi nước trong lò hơi (bị giới hạn bởi nhiệt độ và áp suất tới hạn của hơi nước và của vật liệu chế tạo) và điều này làm giảm hiệu suất nhiệt của chu trình, vùng phí trên có thể được lắp đầy bằng chu trình khí hoặc chu trình Rankine nhưng hoạt động với tác nhân khác (trước kia sử dụng là Hg)

a. Chu trình ghép hơi H2O-khí

195

196

197

b. Chu trình ghép hơi Hg-H2O

198

5.5.9 Máy lạnh và bơm nhiệt

199

Máy lạnh và bơm nhiệt đều làm việc theo chu trình ngược chiều: nhận công từ bên ngoài để vận chuyển nhiệt lượng từ nguồn lạnh lên nguồn nóng có nhiệt độ cao hơn

5.5.10 Đánh giá hiệu quả sử dụng của chu trình

Cả máy lạnh và bơm nhiệt đều có cùng nguyên tắc làm việc theo chu trình ngược chiều, tuy nhiên mục đích sử dụng thì hoàn toàn khác nhau: máy lạnh được sử dụng với yêu cầu nhiệt lượng cần lấy đi ở nguồn lạnh Q2 và bơm nhiệt được sử dụng với mục đích cung cấp được cho nguồn nóng nhiệt lượng lượng Q1

A. Chu trình máy lạnh

Trường hợp này thiết bị được sử dụng để lấy nhiệt lượng Q2 từ nơi cần làm lạnh – nguồn lạnh – ví dụ trong tủ lạnh

]kW[Q ]kW[N

]kg ]kg

kJ[q 2 kJ[w ct

(5-1)

B. Chu trình bơm nhiệt

200

Trường hợp này thiết bị được sử dụng để cung cấp nhiệt lượng Q1 cho nguồn nóng – ví dụ không gian cần sưởi ấm, cung cấp nước nóng

]kW[Q ]kW[N

]kg ]kg

kJ[q 1 kJ[w ct

(5-2)

Quan hệ cơ bản giữa các đại lượng

Theo định luật bảo toàn năng lượng

q 1

(5-3)

+ kW,NQQ 2 + ,wq ct 2 1+e=j

(5-4)

5.5.11 Chu trình Carnot sử dụng chất biến đổi pha

Quá trình biến đổi pha kèm theo trao đổi nhiệt lượng lớn hơn so với khi trao đổi nhiệt một pha, ngoài ra trong quá trình truyền nhiệt có biến đổi pha có thể duy trì nhiệt độ không đổi, đây cũng là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiểu quả làm việc của thiết bị.

Cường độ trao đổi nhiệt lớn của quá trình biến đổi pha khi ứng dụng vào chu trình sẽ làm giảm lưu lượng lưu chất lưu động trong chu trình, dẫn đến giảm công tiêu tốn và thiết bị trao đổi nhiệt sẽ nhỏ gọn hơn.

Khi làm việc với quá trình có biến đổi pha thì yêu cầu chất làm việc được chọn phải có nhiệt tới hạn cao hơn nhiệt độ trong quá trình trao đổi nhiệt

Chu trình Carnot sẽ phải nằm trong vùng hơi bão hòa ẩm, hay thông số điểm tới hạn của chất sử dụng phải lớn hơn các trạng thái trong chu trình

A. Chu trình Carnot lý tưởng

Khảo sát trường hợp chu trình Carnot với sự trao đổi nhiệt lý tưởng sử dụng quá trình biến đổi pha như minh họa sau

201

Hệ số làm lạnh và làm nóng của chu trình là

Carnot

T 2 TT 2 1

e - (5-5)

Carnot

T 1 TT 2 1

j -

T1 Nhiệt độ của chất môi giới trong quá trình ngưng tụ (2-3), cũng chính là nhiệt độ của nguồn nóng

T2 Nhiệt độ của chất môi giới trong quá trình bay hơi (4-1), cũng chính là nhiệt độ của nguồn lạnh

B. Chu trình Carnot trao đổi nhiệt thực tế

Trong thực tế cần phải có chênh lệch nhiệt độ để diễn ra quá trình trao đổi nhiệt, minh họa sau thể hiện điều này

202

Từ hình minh họa, nhiệt lượng nhận vào thì nhỏ hơn (cho cùng một đơn vị lưu lượng với trường hợp trên) công tiêu tốn thì lớn hơn (diện tích lớn hơn)

Carnot

Như vậy, do tính trao đổi nhiệt không thuận nghịch dẫn đến hiệu quả chu trình thực bất kỳ sẽ nhỏ hơn chu trình có trao đổi nhiệt lý tưởng

Q 2 N

T 2 TT 1 2

Carnot

- (5-6)

Q 1 N

T 1 TT 1 2

Trong chu trình có bốn quá trình, được cho tương ứng như sơ đồ sau (lưu ý, các trạng thái có ký hiệu hơi khác với đồ thị T-s ở trên)

203

Quá trình 1-2: cmg bay hơi lấy nhiệt lượng từ nguồn lạnh

Quá trình 2-3: cmg bị nén trong máy nén

Quá trình 3-4: cmg ngưng tụ nhả nhiệt lượng cho nguồn nóng

Quá trình 4-1: cmg giãn nở giảm nhiệt độ để tiếp tục quá trình làm lạnh

5.6 CHU TRÌNH THIẾT BỊ LẠNH MỘT CẤP

5.6.1 Điều kiện hoạt động của các thiết bị trong chu trình

Chu trình là một hệ kín, tuy nhiên khi xét năng lượng trao đổi thì các thiết bị được tách riêng để xem xét và xem như các hệ hở. Điều này cần được lưu ý khi xét công trao đổi trong chu trình.

Điều kiện làm việc ở thiết bị trao đổi nhiệt

Trong chu trình Carnot được xét ở trên, chu trình làm việc với hai cấp áp suất ở hai thiết bị trao đổi nhiệt, trường hợp bỏ qua tổn thất áp suất theo dòng lưu động thì quá trình trao đổi nhiệt là quá trình nhiệt độ không thay đổi.

204

Quá trình trao đổi nhiệt đẳng nhiệt của chu trình Carnot được giữ lại trong quá trình làm việc thực tế.

Điều kiện làm việc của máy nén

Thực tế máy nén không được thiết kế làm việc với hơi bão hòa ẩm, trong một số trường hợp thì không được phép như máy nén piston

Trong sơ đồ làm việc của chu trình Carnot thì hơi vào máy nén là hơi bão hòa ẩm {hỗn hợp gồm lỏng sôi và hơi bão hòa khô}, khi vào máy nén phần lỏng sẽ tiếp tục quá trình bay hơi do máy nén có nhiệt độ cao hơn (do ma sát và do quá trình nén trước đó). quá trình bay hơi làm thể tích "v >> ) dẫn đến làm tăng áp suất cục bộ tác động lên trục máy có thể gây hư tăng lên rất lớn ( hỏng đỗ vỡ máy nén

Trường hợp máy nén turbine thì ít xảy ra vấn đề nghiêm trọng do cấu tạo, tuy nhiên trong trường hợp máy nén piston thì thực tế đã xảy ra hư hỏng khi máy nén làm việc với hành trình ẩm

Quá trình nén trên chu trình được bắt đầu từ trạng thái hơi bảo hòa ở nhiệt độ (áp suất bay hơi) và kết quả là hơi ra khỏi máy nén ở trạng thái hơi quá nhiệt.

Thiết bị giãn nở

Quá trình giãn nở sinh công và tăng công suất lạnh của quá trình bay hơi, tuy nhiên lượng công này khá nhỏ và điều quan trọng là hơi tăng lên trong quá trình giãn nở, thực tế thiết bị sinh công không được thiết kế để làm việc với trạng thái mất ổn định của lưu chất như vậy.

Trong thực tế làm việc, thiết bị sinh công trong chu trình ngược chiều được thay thế bằng thiết bị tiết lưu – thiết bị tạo ra sự giảm áp và kéo theo sự giảm nhiệt độ, lưu ý rằng thiết bị này không sinh công và được giả thiết không trao đổi nhiệt với bên ngoài, theo định luật bảo toàn năng lượng cho “hệ hở thiết bị tiết lưu”, enthalpy trong quá trình này không thay đổi.

205

5.6.2 Chu trình thiết bị cơ bản

Chu trình với năng lượng trao đổi ở các thiết bị được thể hiện như hình sau

Các ký hiệu trong hình và trong công thức tính toán

Nhiệt lượng lấy từ nguồn lạnh QL hay Qo hoặc Q2

Nhiệt lượng nhả cho nguồn nóng QH hay Qk hoặc Q1

Công cung cấp cho chu trình Win (chỉ một thành phần ở máy nén do van tiết lưu không sinh công) hay N

Các quá trình được thể hiện trên hai đồ thị T-s và logp-i như sau:

206

Trạng thái sau thiết bị ngưng tụ đi vào thiết bị tiết lưu là lỏng sôi

Trạng thái vào máy nén là hơi bão hòa khô

207

5.6.3 Các thành phần năng lượng trong chu trình

Tác nhân lạnh đi trong chu trình là hệ thống kín, tuy nhiên khi xét năng lượng trao đổi thì phải tách từng thiết bị riêng biệt để xét, do đó các đại lượng được xét là cho hệ hở (từng thiết bị)

Phương trình năng lượng cho hệ hở

(cid:215)+

¶+

iG i

W kt

1 (cid:215)+ 2

= 1i

=(cid:247) i

(cid:246) (cid:230) w (cid:215) ¶ (cid:231) (a) (cid:229) ł Ł

Các thiết bị được xét ở điều kiện làm việc ổn định, thông thường bỏ qua biến đổi về động năng và thế năng, phương trình trên được viết lại

( iG

) ¶= i W kt

= 1i

(cid:215) ¶ (b) (cid:229)

Thiết bị trao đổi nhiệt

Ơ các thiết bị này không trao đổi công, khi chỉ xét về phía tác nhân lạnh ta được

(cid:215)= iGQ

D , kW (5-7)

Công máy nén

(cid:215)+

Trường hợp tổng quát ta có

= QN

D , kW (5-8)

Qmn

» Nếu quá trình nén xem như đoạn nhiệt,

208

(cid:215)= iGN

D , kW (5-9)

Qmn

Trong quá trình nén nếu được giải nhiệt sẽ làm giảm công nén do

Van tiết lưu

Van tiết lưu không có trao đổi công với môi trường, quá trình diễn ra ở van tiết lưu rất nhanh ﬁ xem như đoạn nhiệt

i »

const

, (5-10)

A. Thiết bị bay hơi

)

Năng suất lạnh của chu trình là công suất nhiệt ở thiết bị bay hơi

( (cid:215)= iGQ 1

- , kW (5-11)

-= i 1

(5-12) Ngoài ra còn sử dụng năng suất lạnh đơn vị ,i 4

Thiết bị lạnh thông thường được sử dụng để làm lạnh hai đối tượng sau: không khí hoặc chất lỏng (nước hay dung dịch)

Trường hợp không khí

Trường hợp này cấu tạo của thiết bị bay hơi có dạng dàn trao đổi nhiệt (chùm ống có hoặc không làm cánh) ﬁ dàn lạnh hay dàn bay hơi

209

)

Năng suất lạnh của chu trình có thể xác định theo nhiệt lượng trao đổi của không khí

= QQ

( I

- (cid:215) , kW (5-13)

IA và IB enthalpy của không khí,

skg

Qkk lưu lượng khối lượng của không khí qua dàn lạnh,

Trường hợp làm lạnh lưu chất lỏng

Do cấu tạo của thiết bị dạng bình ﬁ bình bay hơi

Năng suất lạnh của chu trình có thể xác định theo nhiệt lượng trao đổi của lưu chất lỏng (không biến đổi pha)

210

)

( t

cGQQ n

- (cid:215) (cid:215) , kW (5-14)

Trong đó

skg

(

Gn lưu lượng lưu chất lỏng được làm lạnh,

)K.kg

cpn nhiệt dung riêng đẳng áp của lưu chất lỏng,

)K.kg

18,4~cpn

theo nhiệt độ trung bình trường hợp của nước có thể lấy tra bảng thông số vật lý ( kJ

tA, tB nhiệt độ chất lỏng trước và sau khi được làm lạnh, oC [K]

Hiệu suất nhiệt thiết bị bay hơi

Thiết bị bay hơi làm việc trong điều kiện nhiệt độ thấp hơn môi trường, do đó có nhận nhiệt từ môi trường truyền tới, năng lượng nhiệt trao đổi không mong muốn này gọi là tổn thất lạnh

)

Như vậy lượng lưu chất bay hơi do nhận nhiệt chỉ có h % là dùng để lấy nhiệt từ đối tượng cần

( I

- (cid:215) (cid:215) h

)

( t

kk cG n

(5-15) - (cid:215) (cid:215) (cid:215) h làm lạnh, 5-13 và 5-14 được viết lại = QQ = QQ

)

B. Thiết bị ngưng tụ

- , kW (5-16) Nhiệt lượng nhả ra môi trường của chu trình là công suất nhiệt ở thiết bị ngưng tụ ( (cid:215)= iGQ

Năng suất ngưng tụ đơn vị

- , (5-17)

Thông thường người ta sử dụng nước hoặc không khí làm chất trung gian để tải nhiệt từ chu trình vào môi trường

Trường hợp không khí

)

ﬁ thiết bị ngưng tụ được gọi là dàn ngưng hay dàn nóng

= "QQ

- (cid:215) , kW (5-18) Năng suất giải nhiệt của chu trình có thể xác định theo nhiệt lượng trao đổi của không khí ( I

)

= "QQ

- (cid:215) (cid:215) , kW (5-19) Trường hợp này độ chứa hơi của không khí không đổi, có thể sử dụng công thức sau c

( t

pkk

07,1~

kgkk

cpkk

Nhiệt dung riêng của không khí có thể lấy giá trị trung bình:

211

Trường hợp dùng nước giải nhiệt

ﬁ thiết bị ngưng tụ được gọi là bình ngưng

)

C"G"QQ n

- (cid:215) (cid:215) , kW (5-20) Năng suất giải nhiệt của chu trình có thể xác định theo nhiệt lượng trao đổi của nước giải nhiệt ( t

)

C. Máy nén

i 1

- , kW (5-21) Công tiêu thụ cho chu trình ở máy nén ( (cid:215)= iGN

Công nén đơn vị

= iw

i 1

- , (5-22)

q o w

i 1 i

i 4 i 1

- (5-23) - D. Hệ số làm lạnh Q o N

E. Xác định thông số trạng thái tại các điểm đặc trưng

Các thông số ban đầu

Nhiệt độ hoặc áp suất bay hơi: to, po từ yêu cầu với đối tượng cần làm lạnh sau khi chọn một chênh lệch nhiệt độ hợp lý trong thiết bị bay hơi thì sẽ xác định được nhiệt độ bay hơi, từ đây xác định được áp suất bay hơi.

Nhiệt độ hoặc áp suất ngưng tụ: tk, pk từ điều kiện môi trường xung quanh nơi đặt thiết bị ngưng tụ, tùy vào sử dụng chất giải nhiệt là nước hay không khí mà độ chênh lệch nhiệt độ được chọn thích hợp, từ đây nhiệt độ ngưng tụ được xác định và từ bảng bão hòa của môi chất lạnh sử dụng trong chu trình sẽ xác định được áp suất ngưng tụ tương ứng.

Máy nénmáy nén được chọn phải đảm bảo nén được lượng hơi từ thiết bị bay hơi từ áp suất po đến pk

Năng suất lạnh Qo (máy lạnh) hoặc Qk (bơm nhiệt).

Trạng thái  Trạng thái  là trạng thái hơi ra khỏi thiết bị bay hơi và đi vào máy nén, trường hợp giả thiết là hơi bão hòa

v 1

baûng

baõo

hoøa

p 1 x 1

i 1 s 1

(cid:236) (cid:236) (cid:239) (cid:190) (cid:190) (cid:190) (cid:190) ﬁ (cid:190) (cid:237) (cid:237) (cid:238) (cid:239) (cid:238)

Trạng thái  Trạng thái  là trạng thái hơi ra khỏi máy nén và đi vào thiết bị ngưng tụ, giả thiết quá trình  ﬁ  nén đoạn nhiệt thuận nghịch

212

baûng

quaù

nhieät

s 1

2 s

(cid:236) (cid:236) (cid:239) (cid:190) (cid:190) (cid:190) (cid:190) (cid:190) ﬁ (cid:190) (cid:237) (cid:237) (cid:238) (cid:239) (cid:238)

Trạng thái  Trạng thái  là trạng thái sau khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ, trong chu trình cơ bản thường giả thiết là lỏng sôi

hoaëc

baûng

baõo

hoøa

3 s 3

(cid:236) (cid:236) (cid:239) (cid:190) (cid:190) (cid:190) (cid:190) ﬁ (cid:190) (cid:237) (cid:237) (cid:238) (cid:239) (cid:238)

i~i 4

Trạng thái  Trạng thái  là trạng thái sau khi ra khỏi thiết bị tiết lưu

5.6.4 Chu trình có quá nhiệt và quá lạnh

Trạng thái quá lạnh 3

Quá trình lưu động trong ống luôn có ma sát và làm tăng nhiệt độ của lưu chất. Nếu trạng thái ra khỏi thiết bị ngưng tụ là lỏng sôi thì trước khi đến van tiết lưu đã bị bay hơi một phần (do ma sát) và như vậy giảm lượng lỏng cần thiết để bay hơi (làm lạnh) ở thiết bị bay hơi (nguyên do là thể tích hơi choán chổ phần lỏng) ﬁ năng suất lạnh TB giảm

Lý do chính thứ hai là nếu làm lạnh trước khi tiết lưu sẽ làm tăng năng suất lạnh ﬁ điểm 4 dịch về trái

Vì các lý do trên nên trạng thái trước khi vào van tiết lưu là trạng thái lỏng quá lạnh (chưa sôi): có thể làm lạnh trong thiết bị ngưng tụ hoặc do trao đổi nhiệt nội bộ

213

Trạng thái quá nhiệt 1

Trên đồ thị, trạng thái trước khi vào máy nén ở trạng thái hơi quá nhiệt là đảm bảo an toàn cho máy nén trong trường hợp sử dụng máy nén piston (không có lợi về mặt nhiệt động)

214

Quá trình nén không thuận nghịch

coâng

neùn

ñoaïn

nhieät

Các quá trình thực tế đều là quá trình không thuận nghịch, để đánh giá mức độ không thuận nghịch người ta đưa ra khái niệm hiệu suất đẳng entropy hay còn gọi là hiệu suất trong của máy nén:

coâng

neùn

thöïc

teá

i s2 i

i 1 i 1

- h (5-24) -

Quá trình hồi nhiệt

)

Trạng thái quá lạnh vào van tiết lưu và trạng quá nhiệt của hơi khi vào máy nén có thể được tạo ra khi cho lỏng bão hòa (hoặc quá lạnh) ra khỏi thiết bị ngưng tụ trao đổi nhiệt với hơi ra khỏi thiết bị bay hơi, quá trình này trao đổi nhiệt nội bộ gọi là quá trình hồi nhiệt, năng suất nhiệt thiết bị hồi nhiệt

( 'iG k 3

( iG o 1

"i 1

- (cid:215) - (cid:215) (5-25)

215

5.6.5 Chu trình lạnh với các quá trình thực

Quá trình trao đổi nhiệt với áp suất giảm dần theo chiều lưu động khi có tổn thất áp suất

Thiết bị bay hơi

p Thiết bị ngưng tụ p < 1

Quá trình 8ﬁ 1 với tổn thất áp tại cửa hút của máy nén, điều này có nghĩa là máy

nén phải tốn thêm một phần cong nén

Quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch 1ﬁ 3, trường hợp nén đoạn nhiệt không thuận nghịch là gia tăng entropy 1ﬁ 2

Trường hợp máy nén được giải nhiệt 1ﬁ 2’ sẽ giảm công nén.

a. Chu trình làm lạnh hai cấp với một cấp nén

Trường hợp này yêu cầu làm lạnh với hai mức nhiệt độ khác nhau, ví dụ như ngăn đá và ngăn trữ rau quả của tủ lạnh

216

Sự phân bố nhiệt độ trên do sự phân phối không khí trong tủ

Ngoài ra sử dụng sơ đồ giãn nở 2 cấp sau

217

Các quá trình được thể hiện trên đồ thị T-s

218

b. Chu trình hai cấp nén

Lý do sử dụng hai cấp nén

Mục đích chính của việc sử dụng máy nén hai cấp là giảm công nén trong chu trình (giảm diện tích giới hạn bởi các đường cong chu trình) để nâng cao COP của chu trình.

Thêm lý do khác trường hợp nếu nén một cấp với tỷ số áp suất quá lớn thì nhiệt độ tăng mạnh có thể vượt quá nhiệt độ cho phép làm việc của dầu bôi trơn, với hai cấp nén có thể giải nhiệt trung gian để giảm nhiệt độ của hơi cuối quá trình nén

• Chu trình ghép tầng

Sơ đồ thiết bị cho ở hình phía dưới, các quá trình diễn ra cho trên đồ thị T-s

219

So với nén 1 cấp, sơ đồ sử dụng 2 cấp nén có lợi:

Công nén giảm do được giải nhiệt tốt

Công suất lạnh đơn vị tăng

220

Lưu ý ở bộ trao đổi nhiệt ngưng tụ – bay hơi thì nhiệt độ quá trình đẳng áp 5-5 phải thấp hơn nhiệt độ điểm 3trên đồ thị T-s phải thể hiện lại quá trình trên:

)

Năng suất lạnh

( = iGQ 1

- (cid:215) , kW (5-26)

)

Công nén

( iGN

( iG 2

i 1

- (cid:215) - (cid:215) , kW (5-27)

Hệ số làm lạnh

)

Q o N

( iG 1

( iG 1 1 ) + i 1

) i 4 ( iG 2

- (cid:215) (5-28) - (cid:215) - (cid:215)

221

c. Chu trình hai cấp sử dụng bình trung gian

C0~t

D Với chu trình ghép tầng do có sử dụng bộ trao đổi nhiệt ngưng tụ – bay hơi thì giữa quá trình ngưng tụ ở chu trình dưới và quá trình bay hơi ở chu trình trên cần có chênh lệch nhiệt độ, người ta giảm độ chênh lệch nhiệt độ này bằng cách sử dụng bình trung gian như sơ đồ sau

Ap suất cấp trung gian thường sử dụng biểu thức

p~p

· (5-29)

Các quá trình diễn ra trên đồ thị T-s

222

A. Độ khô ở trạng thái 6

i i

- - (5-30) - -

= GG

( x1

B. Lưu lượng lưu chất trong quá trình làm lạnh ) - · (5-31)

C. Trạng thái đi vào máy nén

)

iGiGx 3 k ( -+ x1

6 ix 6

(cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:215) Sử dụng phương trình năng lượng cho thiết bị hòa trộn iG o (5-32) (cid:215) (cid:215) ﬁ

)

D. Năng suất lạnh

= GQ

( i 1

- · ,kW (5-33)

)

E. Công suất máy nén

= NN

( i

i 1

- · - · ,kW (5-34)

F. Hệ số làm lạnh

223

)

- ·

Q o N

) ( i

)

- · - · (5-35) - · -

o ( i i 1 2 ( x1 6 ( ) ( x1 i

i 8 ( i

( i 1 + G k ) ( i 1 i 1

- - · -

Lưu ý

Trạng thái 2 sau khi được nén ở máy nén hạ áp có thể được làm lạnh trước bằng nước. Trạng thái 9 đi vào máy nén cao áp có trạng thái quá nhiệt nên gọi là làm lạnh không hoàn toàn.

Trường hợp đi vào máy nén cao áp là trạng thái 3 thì gọi là làm lạnh hoàn toàn, trường hợp này trạng thái 2 có thể được làm lạnh trước bằng nước, sau đó có thể tiếp tục được giảm nhiệt độ đến trạng thái 3 bằng cách dùng một phần lưu chất ở trạng thái lỏng 7 thực hiện quá trình bay hơi. Sự thay đổi của hệ số làm lạnh cần lưu ý: trên sơ đồ thấy diện tích giảm (thể hiện công nén giảm) nhưng lưu chất dùng để bay hơi làm lạnh cũng đã giảm bớt.

5.7 CHU TRÌNH BƠM NHIỆT

Hình bên dưới thể hiện một sơ đồ sử dụng nguồn nhiệt cấp cho bơm nhiệt là không khí môi trường (có thể sử dụng nước)

Sơ đồ bên dưới thể hiện thiết bị làm việc với 2 chức năng: bơm nhiệt hoặc máy lạnh khi sử dụng van 4 ngã

224

Hoặc xem sơ đồ bên dưới

225

226

5.8 MÁY LẠNH HẤP THỤ

Ngoài chu trình lạnh sử dụng máy nén hơi như đã được đề cập, trong kỹ thuật lạnh còn có một loại thiết bị lạnh làm việc theo nguyên tắc khác: nhận nhiệt từ môi trường để vận hành chu trình thay vì công như máy nén hơi

Các phép tính toán nhiệt động SV có thể tham khảo các tài liệu chuyên đề.

Giới thiệu một sơ đồ làm việc của máy lạnh hấp thụ.

227