Bài giảng Nhiệt động lực học: Chương 8

1/2009

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

Chương 8: Quá trình nén khí và hơi

(cid:190) 8.1 Khái niệm chung

Máy nén piston 1 cấp

p.1p.1

(cid:190) 8.2 Máy nén PISTON Máy nén piston nhiều cấp

1/2009

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8.1 Khái niệm chung

(cid:190) Máy nén khí (hơi) dùng để tăng áp suất khí (hơi)

(cid:190) Nếu p < 2 bar : đây là phạm vi sử dụng các loại QUẠT

Nếu p > 2 bar: dùng các loại MÁY NÉN

Nhóm 1: Nhóm 2:

dùng công cơ học để nén khí dùng nhiệt năng để nén khí

(cid:190) Dù khác nhau về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, vv… nhưng các máy nén này đều có quá trình nhiệt động như nhau

p.2p.2

MN piston MN tuabin MN ejectơ

1/2009

Ví dụ minh họa một số loại máy nén khí (hơi)

p.3p.3

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8.2 Máy nén piston

a) Máy nén piston 1 cấp

p.4p.4

1/2009

(cid:190) Những quá trình cơ bản của máy nén piston 1 cấp

3) Quá trình xả khí CD

2) Quá trình nén khí BC

1) Quá trình nạp khí AB p1 = const

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

p2 = const

n = k

D C C1 C2 T - BC : đẳng nhiệt n = 1 - BC1 : đa biến - BC2 : đoạn nhiệt n = k C2 p2

< n < k

C1 p1 p2

n = 1

p.5p.5

A B p1 B s v

1/2009

vdp

(

)

−=

∫

p 1

(cid:190) Tính công tiêu hao của máy nén piston 1 cấp Công tiêu hao để nén 1 kg khí từ áp suất p1 đến áp suất p2 được tính theo công thức tính công kỹ thuật:

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

a) Nén theo quá trình đẳng nhiệt T = const (n = 1)

(

)

−=

vp 11

p 2 p 1

T C2 p2

n = k

< n < k

b) Nén theo quá trình đoạn nhiệt pvk = const (n = k) C1 p1

1 − k

−

(

)

vp 22

vp 11

n = 1

k − 1 k −

p p 1

⎛ ⎜⎜ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣

⎤ ⎥ 1 ⎥ ⎥ ⎦

1 − k

(

)

−

RT 1

k − k 1 −

p p 1

⎛ ⎜⎜ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣

⎤ ⎥ 1 ⎥ ⎥ ⎦

p.6p.6

B s

1/2009

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

c) Nén theo quá trình đa biến pvn = const ( 1 < n < k )

1 n − n

−

(

)

vp 22

vp 11

n − 1 n −

p 2 p 1

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎡ ⎛ ⎢ ⎜⎜ ⎢ ⎝ ⎢ ⎣

⎤ ⎥ 1 ⎥ ⎥ ⎦

1 n − n

(

)

−

RT 1

n − n 1 −

p 2 p 1

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎡ ⎛ ⎢ ⎜⎜ ⎢ ⎝ ⎢ ⎣

⎤ ⎥ 1 ⎥ ⎥ ⎦

Tương tự quá trình đoạn nhiệt, công nén cho 1kg khí của quá trình đa biến là:

D C C1 C2 Nhận xét: dựa vào đồ thị p-v suy ra

* Công nén của quá trình đẳng nhiệt = diện tích ABCD là nhỏ nhất p2

p.7p.7

A B p1 * Công nén của quá trình đoạn nhiệt = diện tích ABC2D là lớn nhất v

1/2009

(cid:190) Tính nhiệt lượng thải qua xylanh của máy nén piston 1 cấp a) Nén theo quá trình đẳng nhiệt T = const

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

(

)

wq =

−=

vp 11

(n = 1)

p 2 p 1

Nhiệt lượng thải ra = công nhận vào

0=q

1 − k

b) Nén theo quá trình đoạn nhiệt pvk = const (n = k)

T 2

T 1

p 2 p 1

⎛ ⎜⎜ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

Nhiệt độ cuối quá trình: ( K )

1 n − n

c) Nén theo quá trình đa biến pvn = const ( 1 < n < k )

T 2

T 1

p 2 p 1

⎛ ⎜⎜ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

(

)

−

)

( T 2

T 1

kn − 1 n −

Nhiệt độ cuối quá trình: ( K )

p.8p.8

Nhiệt lượng thải qua xylanh của quá trình nén đa biến:

1/2009

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

Ví dụ 8.1 trong sách “Nhiệt động lực học kỹ thuật”:

o20

Máy nén lý tưởng 1 cấp, không khí được nén từ thông số ban đầu p1 = 1 bar, t1 = 20oC đến trạng thái cuối có p2 = 4.5 bar. Xác định nhiệt độ cuối quá trình t2, công tiêu hao của máy nén w và nhiệt lượng thải ra q ứng với 3 trường hợp: a) Nén đẳng nhiệt; b) Nén đoạn nhiệt và c) Nén đa biến với n = 1.3

20(

ln)273

126342

126

−=

5.4 1

⎛ ⎜ ⎝

⎞ −=⎟ ⎠

⎞ −=⎟⎟ ⎠ kJ

8314 29 kg

wq =

⎛ p 2 ⎜⎜ p ⎝ 1 3.126−=

1 − k

14.1 − 4.1

20(

450

Giải: a) Nén đẳng nhiệt:

b) Nén đoạn nhiệt:

( 177

)C

T 2

T 1

5.4 1

⎛ )273 ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎠

p 2 p 1

⎞ ⎟⎟ ⎠

1 − k

157834

157

−

−=

RT 1

k − k 1 −

p p 1

⎛ ⎜⎜ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎛ ⎜⎜ ⎝ ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣

⎤ ⎥ 1 ⎥ ⎥ ⎦

0=q

p.9p.9

c) Nén đa biến: tính tương tự như quá trình đoạn nhiệt với n = 1.3

1/2009

(cid:190) Tác hại của dung tích thừa

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

(cid:190) Để tránh va đập trên thực tế giữa nắp xi lanh và piston có 1 khoảng trống, gọi là dung tích thừa Vt

3’ 2’

Quá trình 1234 thể hiện đồ thị máy nén có dung tích thừa

2 3

p’2

p1 4 4’ 1

( λ

)9.07.0 ÷

Vt Vh Do dung tích thừa, lượng khí nạp thực sự vào xi lanh chỉ còn (V1 - V4) Để đánh giá năng suất của máy nén piston bị suy giảm do dung tích thừa: dùng hiệu suất thể tích

VV − 4 1 VV − 1 3

ĐCT ĐCD

p.10p.10

Khi áp suất nén càng cao (1’2’3’4’) (cid:198) λ càng thấp (cid:198) dùng máy nén nhiều cấp

1/2009

b) Máy nén piston nhiều cấp - Dùng để nén khí ở áp suất cao p2/p1 > 10 - Giảm được công tiêu hao do có bộ làm mát trung gian (diện tích 2344’)

Bộ làm mát trung gian

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

p 4 4’

b 3 p3

Xy lanh cao áp Xy lanh hạ áp p2

a 1 p1

a-1: quá trình hút khí vào xylanh cấp 1

b-3: quá trình làm mát khí trong bình làm mát trung gian và nạp vào xylanh cấp 2

1-2: quá trình nén đa biến trong xylanh cấp 1

3-4: quá trình nén đa biến trong xylanh cấp 2

2-b: quá trình đẩy khí qua bình làm mát trung gian trước khi nạp khi vào xylanh cấp 2

4-c: quá trình thải khí từ xylanh cấp 2 vào bình chứa

p.11p.11

1/2009

(cid:190) Phân phối áp suất nén giữa các cấp

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

T = 1 T 3 T = T 4 2

Chọn:

p 4 T 4’

p1 p2 p3 c

T2 = T4 2 4 2

4 p

b 3

3 p = 2 p

T1= T3

1 p

a 1 3 1

n n 1 −

Vì các cấp nén đều có cùng số mũ đa biến n như nhau, ta có:

(Vì

p p

p 2 p 1

p 4 p 1

p 2 p 1

T 2 T 1

⎛ ⎜⎜ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

n n 1 −

Cấp 1: p2 = p3 ) Tỉ số tăng áp mỗi cấp là:

p p

p 4 p 1

T 4 T 3

⎛ ⎜⎜ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

p.12p.12

Cấp 2: Tỉ số tăng áp của máy nén 2 cấp là:

1/2009

T = 3

T 1

1 n − n

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

(cid:190) Tính toán cho máy nén 2 cấp

p = 2

T 4

T 2

T 1

p 2 p 1

⎛ ⎜⎜ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

và

p 4

c a) Tỉ số tăng áp của từng cấp là như nhau:

p p

3 2

4 p

p 2 p 1

p 4 p 1

3 p = 2 p

1 p

a Tỉ số tăng áp của toàn máy nén 2 cấp là:

2 x =

p 4 p 1

b) Dung tích xylanh cấp 1 (Xylanh hạ áp) là V1 (m3) Dung tích xylanh cấp 2 (Xylanh cao áp) là V3 (m3)

(

)

V = 3

V 1 x

p.13p.13

Vì T1 = T3 , áp dụng pt khí lý tưởng suy ra quan hệ:

1/2009

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

n 1 − n

c) Công tiêu hao (cho 1 kg khí) của máy nén 2 cấp:

−

w 1

RT 1

n − n 1 −

p 2 p 1

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎡ ⎛ ⎢ ⎜⎜ ⎢ ⎝ ⎢ ⎣

⎤ ⎥ 1 ⎥ ⎥ ⎦

Chú ý: Cấp 1:

là số mũ đa biến của quá

n 1 − n

−

n : trình nén đa biến nói chung

RT 3

p p

n − 1 n −

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎤ ⎥ 1 ⎥ ⎥ ⎦

⎡ ⎛ ⎢ ⎜⎜ ⎢ ⎝ ⎢ ⎣

w =

Cấp 2:

1 w

T 3 p p

T 1 p 2 p 1

Vì:

n 1 − n

Công tiêu hao cho 1 kg khí của máy nén 2 cấp là:

ww +

−

w 1

RT 1

n 1

− n

2 −

p 4 p 1

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

⎡ ⎛ ⎢ ⎜ ⎢ ⎜ ⎝ ⎢ ⎣

⎤ ⎥ 1 ⎥ ⎥ ⎦

p.14p.14

( J /kg)

1/2009

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

(cid:190) Nhiệt lượng thải qua vỏ xylanh của mỗi cấp nén là như nhau và bằng:

1 n − n

x =

d) Nhiệt lượng khí nén thải qua xylanh và qua bình làm mát trung gian của máy nén 2 cấp:

T =Δ

−

q 1

kn − 1 n −

p 4 p 1

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

⎛ ⎜ xT ⎜ 1 ⎝

với là tỉ số tăng áp của từng cấp

12 q

(cid:190) Nhiệt lượng thải qua bình làm mát trung gian của máy nén là:

−

)

( Tc 2 p

T 1

Nhiệt lượng thải qua 2 vỏ xylanh của máy nén 2 cấp là:

qmn

q 1 +

với cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của khí nén

p.15p.15

Nhiệt lượng thải tổng cộng của máy nén 2 cấp là:

1/2009

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

Ví dụ 8.2:

Máy nén lý tưởng 2 cấp có làm mát trung gian, áp suất ban đầu p1 = 1 bar, t1 = 20oC, áp suất cuối quá trình nén p4 = 9 bar. Xác định công tiêu hao của máy nén, nhiệt độ cuối quá trình nén, nhiệt thải qua bình làm mát trung gian nếu quá trình nén xem là đoạn nhiệt.

1 − k

Giải: Quá trình nén là đoạn nhiệt (cid:198) n = k = 1.4 (không khí)

−

RT 1

− k

k 1

2 −

p 4 p 1

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

⎡ ⎛ ⎢ ⎜ ⎢ ⎜ ⎝ ⎢ ⎣

⎤ ⎥ 1 ⎥ ⎥ ⎦

1 − k

Công tiêu hao của máy nén 2 cấp:

T 4

T 2

T 1

xT 1

p 4 = p 1

p 2 p 1

⎛ ⎜⎜ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

−

)

( Tc 2 p

T 1

với Nhiệt độ cuối quá trình nén:

p.16p.16

Nhiệt thải qua bình làm mát trung gian:

1/2009

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

* YÊU CẦU VỀ NHÀ:

1) Đọc thêm trong sách để hiểu phần tính toán cho máy nén piston nhiều cấp

2) Tự tính lại 2 ví dụ 8.1 và 8.2 để nắm vững cách tính toán

p.17p.17

Bài giảng Nhiệt động lực học: Chương 8 - TS. Hà Anh Tùng