Giáo trình - Nhiệt động lực học - chương 6

Chia sẻ: Lit Ga | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

219
lượt xem 68
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 6 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG 6.1. Chu trình động cơ đốt trong 6.1.1. Khái niệm Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt mà quá trình cháy được tiến hành bên trong xy lanh và sản phẩm cháy được thải ra môi trường. Đây là chu trình biến đổi nhiệt thành công. Hiện nay động cơ đốt trong được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt như dùng lfm động cơ cho ôtô, máy kéo, xe lửa, máy phát điện . . . Môi chất làm việc trong động cơ đốt trong lúc...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình - Nhiệt động lực học - chương 6

Chương 6 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG 6.1. Chu trình động cơ đốt trong 6.1.1. Khái niệm Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt mà quá trình cháy được tiến hành bên trong xy lanh và sản phẩm cháy được thải ra môi trường. Đây là chu trình biến đổi nhiệt thành công. Hiện nay động cơ đốt trong được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt như dùng lfm động cơ cho ôtô, máy kéo, xe lửa, máy phát điện . . . Môi chất làm việc trong động cơ đốt trong lúc đầu là không khí và nhiên liệu, sau đó là sản phẩm cháy của hỗn hợp không khí và nhiên liệu. 6.1.2. Phân loại + Theo loại nhiên liệu gồm có: động cơ xăng, động cơ Diezel + Theo cách đốt nhiên liệu: - Động cơ cháy cưỡng bức: Nhiên liệu được đốt cháy nhờ nguồn lửa phụ từ bên ngoài; các thiết bị đánh lửa như buzi. - Động cơ tự cháy: Hỗn hợp nhiên liệu tự bốc cháy khi nó được nén đến nhiệt độ bằng nhiệt độ bắt cháy của nhiên liệu. + Theo hành trình của piston để thực hiện một chu trình: Ta phân ra động cơ 2 kỳ và động cơ 4 kỳ. Động cơ 2 kỳ là động cơ trong đó chu trình được hoàn thành sau 2 hành trình của piston – ứng với 1 vòng quay của động cơ. Động cơ 4 kỳ là động cơ trong đó chu trình được hoàn thành sau 4 hành trình của piston – ứng với 2 vòng quay của động cơ. + Theo tính chất quá trình cháy nhiên liệu (cấp nhiệt): - Động cơ đốt trong có quá cấp nhiệt đẳng tích: Quá trình cháy xảy ra rất nhanh thường áp dụng cho loại nhiên liệu nhẹ như xăng hoặc khí. - Động cơ có quá trình cấp nhiệt đẳng áp: Quá trình cháy xảy ra từ từ và khi đó thể tích tăng dần và áp suất hầu như không thay đổi. Với chu trình này nhiên liệu được dùng là nhiên liệu nặng như các loại dầu. - Động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt hỗn hợp: Quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ này gồm 2 giai đoạn: Đẳng tích và đẳng áp. Các giả thiết khi nghiên cứu chu trình + Ta giả thiết có 1 kg chất môi giới là khí lý tưởng thực hiện chu trình + Chu trình là chu trình kín và là chu trình thuận nghịch - Ta lý tưởng hoá quá trình cháy của nhiên liệu thành quá trình cấp nhiệt - Lý tưởng hoá quá trình thải sản phẩm cháy của nhiên liệu thành quá trình thải nhiệt đẳng tích - Quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt thuận nghịch. Các đại lượng đặc trưng của chu trình động cơ đốt trong + Tỷ số nén: là tỷ số giữa thể tích đầu và thể tích cuối của quá trình nén đoạn nhiệt. Ký hiệu là ε - với quá trình 1-2 là nén đoạn nhiệt thì ta có: v ε= 1 (6-1) v2 + Tỷ số tăng áp: là tỷ số giữa áp suất cuối và áp suất đầu của quá trình cấp nhiệt đẳng tích. Ta ký hiệu là λ: p λ= 3 (6-2) p2 + Hệ số giãn nở sớm: là tỷ số giữa thể tích cuối và thể tích đầu của quá trình cấp nhiệt đẳng áp. Ta ký hiệu là ρ: 99 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
v3 ρ= (6-3) v2 6.1.3. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt đẳng tích + Giới thiệu chu trình: Chu trình gồm 4 quá trình, ta đặt tên cho các quá trình như sau: 1-2: Nén đoạn nhiệt 2-3: Cấp nhiệt đẳng tích 3-4: Giãn nở đoạn nhiệt 4-1: Thải nhiệt đẳng tích + Biểu diễn chu trình trên đồ thị p-v và T-s (Hình 6-1) p T 3 3 4 2 2 4 1 1 v s Hình 6-1 + Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình: q1 − q 2 q l Công thức chung: η t = o = = 1− 2 q1 q1 q1 Trong đó: q1- tổng lượng nhiệt chất môi giới nhận từ nguồn có nhiệt độ cao q1 = q23 ; 2-3 là quá trình đẳng tích cho nên; q1 = q23 = Cv(T3 – T2). (6-4) q2- tổng lượng nhiệt chất môi giới thải ra nguồn có nhiệt độ thấp ; quá trình 4-1 là quá trình thải nhiệt đẳng tích q2 = q41= Cv(T1 – T4). (6-5) C (T − T1 ) (T − T1 ) ηt = 1 − v 4 = 1− 4 Vậy: (6-6) C v (T3 − T2 ) (T3 − T2 ) Xác định hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích theo T1 và các thông số đặc trưng (ε, λ). - Quá trình 1-2 là quá trình đoạn nhiệt, quan hệ giữa T và v là: k −1 T2  v1  =   ta suy ra T2 = T1 .ε k −1 (6-7) T1  v 2   - Quá trình 2-3 là quá trình cấp nhiệt đẳng tích, quan hệ T và p như sau: T3 p 3 = λ ta có T3 = T1.ε k −1.λ = (6-8) T2 p2 - Quá trình 3-4 là quá trình đoạn nhiệt, quan hệ giữa T và v như sau: k −1 T4  v 3  =  (6-9) T3  v 4   Quá trình 4 -1: thải nhiệt đẳng tích nên v4 = v1 Quá trình 2-3: cấp nhiệt đẳng tích nên v2=v3 100 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
k −1 v  T Thay vào biểu thức 4 =  3  ta được T3  v 4   k −1 k −1 k −1 T4  v 3  v  1 =   =  2  =   nên ta có T4 = T1.λ (6-10) v  v  ε T3  4   1 Thay trị số T2, T3 và T4 vào biểu thức hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích, rút gọn ta có: 1 η t = 1 − k −1 (6-11) ε 6.1.4. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt đẳng áp + Giới thiệu chu trình: Chu trình gồm 4 quá trình, ta đặt tên cho các quá trình như sau: 1-2: Nén đoạn nhiệt 2-3: Cấp nhiệt đẳng áp 3-4: Giãn nở đoạn nhiệt 4-1: Thải nhiệt đẳng tích + Biểu diễn chu trình trên đồ thị p -v và T -s (Hình 6-2) p T 3 3 2 4 2 4 1 1 v s Hình 6-2 + Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình: l o q1 − q 2 q Từ công thức chung: η t = = = 1− 2 q1 q1 q1 Trong đó: q1- tổng lượng nhiệt chất môi giới nhận từ nguồn có nhiệt độ cao q1 = q23 ; 2-3 là quá trình đẳng áp cho nên; q1 = q23 = Cp(T3 – T2); (6-12) q2- tổng lượng nhiệt chất môi giới thải ra nguồn có nhiệt độ thấp; quá trình 4-1 là quá trình thải nhiệt đẳng tích q2 = q41= Cv(T1 – T4). (6-13) C (T − T1 ) (T4 − T1 ) Vậy: η t = 1 − v 4 = 1− ; (k = Cp/Cv) (6-14) C p (T3 − T2 ) k.(T3 − T2 ) Xác định hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích theo T1 và các thông số đặc trưng (ε, ρ). - Quá trình 1-2 là quá trình đoạn nhiệt, quan hệ giữa T và v là: k −1 T2  v1  =   ta suy ra T2 = T1 .ε k −1 (6-15) T1  v 2   - Quá trình 2-3 là quá trình cấp nhiệt đẳng áp, quan hệ giữa T và v như sau: 101 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
T3 v 3 = ρ nên ta cũng có T3 = T1 .ε k −1 .ρ = (6-16) T2 v 2 - Quá trình 3-4 là quá trình đoạn nhiệt, quan hệ giữa T và v như sau: k −1 T4  v 3  =  (6-17) T3  v 4   Quá trình 4 -1: thải nhiệt đẳng tích nên v4 = v1 k −1 T v  v Ta lại có 3 = ρ nên v 3 = ρ.v 2 . Thay vào biểu thức 4 =  3  ta được T3  v 4   v2 k −1 k −1 k −1 T4  v 3   ρv  ρ =   =  2  =   nên ta có T4 = T1.ρk ; (6-18) v  v  ε T3  4   1 Thay trị số T2, T3 và T4 vào biểu thức hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp, rút gọn ta có: ρk −1 η t = 1 − k −1 ε k (ρ − 1) 6.1.5. Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt hỗn hợp + Giới thiệu chu trình: chu trình gồm 5 quá trình; đặc điểm của chu trình là quá trình cấp nhiệt 2-3 được chia làm hai giai đoạn. Ta đặt tên cho các quá trình như sau: 1-2: Nén đoạn nhiệt 2-2’: Cấp nhiệt đẳng tích v2=v2’ 2’-3: Cấp nhiệt đẳng áp p2’=p3 3-4: Giãn nở đoạn nhiệt 4-1: Thải nhiệt đẳng tích + Biểu diễn chu trình trên đồ thị p -v và T -s (Hình 6-3) p 2’ 3 T 3 2 2’ 4 2 4 1 1 s v Hình 6-3 + Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình: q − q2 q l Công thức chung: η t = o = 1 = 1− 2 q1 q1 q1 Trong đó: q1- tổng lượng nhiệt chất môi giới nhận từ nguồn có nhiệt độ cao q1 = q22’ + q2’3 q1= Cv(T2’ – T2) + Cp(T3 – T2’) (6-19) q2- tổng lượng nhiệt chất môi giới thải ra nguồn có nhiệt độ thấp ; quá trình 4-1 là quá trình thải nhiệt đẳng tích q2 = q41= Cv(T1 – T4). (6-20) 102 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
C v (T4 − T1 ) (T4 − T1 ) Vậy: η t = 1 − = 1− (6-21) C v (T2 ' − T2 ) + C p (T3 − T2' ) (T2 ' − T2 ) + k.(T3 − T2 ' ) Thay T2 , T2’ , T3 , T4 theo T1 và các thông số đặc trưng (ε, λ, ρ). - Quá trình 1-2 là quá trình đoạn nhiệt, quan hệ giữa T và v là: k −1 T2  v1  =   ta suy ra T2 = T1 .ε k −1 (6-22) T1  v 2   - Quá trình 2-2’ là quá trình cấp nhiệt đẳng tích, quan hệ T và p như sau: T2 ' p 2 ' = λ ta có T2 ' = T1 .ε k −1 .λ = (6-23) T2 p 2 - Quá trình 2’-3 là quá trình cấp nhiệt đẳng áp, quan hệ giữa T và v như sau: T3 v = 3 = ρ ta cũng có T3 = T1 .ε k −1 .λ.ρ (6-24) T2 ' v 2 ' - Quá trình 3-4 là quá trình đoạn nhiệt, quan hệ giữa T và v như sau: k −1 T4  v 3  =  (6-25) T3  v 4   Quá trình 4 -1: thải nhiệt đẳng tích nên v4 = v1 Quá trình 2-2’: cấp nhiệt đẳng tích nên v2=v2’ k −1 v = ρv 2 ' = ρv 2 . Thay vào biểu thức T4 =  v 3  v  Ta lại có 3 = ρ nên 3 ta được T3  v 4   v 2' k −1 k −1 k −1 T4  v 3   ρv  ρ =   =  2  =   nên ta có T4 = T1 .λ.ρ k (6-26) v  v  ε T3  4   1 Thay trị số T2, T2’ , T3 và T4 vào biểu thức hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp, rút gọn ta có: λρ k − 1 ηt = 1 − (6-27) ε k −1 [(λ − 1) + kλ(ρ − 1)] Nhận xét + Hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt hỗn hợp phụ thuộc vào số mũ đoạn nhiệt k, tỷ số nén ε, tỷ số tăng áp λ, hệ số giãn nở sớm ρ; cụ thể ηt tăng khi k, ε, λ tăng và ρ giảm. + Khi trạng thái 3 tiến dần và trùng với 2’ thì ta có ρ = 1, khi đó chu trình trở thành chu trình có quá trình cấp nhiệt đẳng tích. + Khi trạng thái 2 tiến dần và trùng với 2’ thì ta có λ = 1, khi đó chu trình trở thành chu trình có quá trình cấp nhiệt đẳng áp. 6.1.6. So sánh hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ đốt trong (ηctp, ηct, ηctv) Để đánh giá hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong làm việc theo các chu trình khác nhau, ta so sánh các chu trình với các điều kiện sau: a. Khi có cùng tỉ số nén ε và nhiệt lượng q1 cấp vào cho chu trình: Trên đồ thị T-s hình 6-4 biểu diễn 3 chu trình: 123v4v1 là chu trình cấp nhiệt đẳng tích, 122’341 là chu trình cấp nhiệt hỗn hợp và 123p4p1 chu trình cấp nhiệt đẳng áp. Ba chu trình này có cùng tỷ số nén ε và nhiệt lượng q1, nghĩa là cùng v1, v2 và các diện tích a23vd, a22’3c và a23pb bằng nhau. Từ (6-4) ta thấy: các chu trình có cùng q1, chu trình nào có q2 nhỏ hơn sẽ có hiệu suất nhiệt cao hơn, q2 của chu trình cấp nhiệt đẳng tích bằng diện tích a14vb là nhỏ nhất, q2 của chu trình cấp nhiệt đẳng áp bằng diện tích a14pd là lớn nhất, q2 của chu trình cấp 103 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
nhiệt hỗn hợp bằng diện tích a14c có giá trị trung gian so với hai chu trình kia. Vậy hiệu suất của chu trình cấp nhiệt đẳng tích là lớn nhất và hiệu suất của chu trình cấp nhiệt đẳng áp là nhỏ nhất: ηctv > ηct > ηctp Hình 6-4. So sánh các chu trình Hình 6-5. So sánh các chu trình b. Khí có cùng áp suất và nhiệt độ lớn nhất, nhỏ nhất: Ở đây ta so sánh hiệu suất nhiệt của chu trình cùng nhả một nhiệt lượng q2 giống nhau, cùng làm việc với ứng suất nhiệt như nhau (cùng Tmax và pmax). Với cùng điều kiện đó, các chu trình được biểu diễn trên đồ thị T-s hình 6-5 ta có 12p34 là chu trình cấp nhiệt đẳng áp, 122’341 là chu trình cấp nhiệt hỗn hợp và 12v34 chu trình cấp nhiệt đẳng tích. Trên đồ thị, 3 chu trình này có cùng p1, T1 và cùng p3, T3 nghĩa là cùng nhả ra một lượng nhiệt q2 (diện tích 14ab) trong đó: nhiệt lượng q1 cấp vào cho chu trình cấp nhiệt đẳng áp bằng diện tích a2p3b là lớn nhất, nhiệt lựợng q1 cấp vào cho chu trình cấp nhiệt đẳng tích bằng diện tích a2v3b là nhỏ nhất. Ta thấy hiệu suất của chu trình cấp nhiệt đẳng áp là lớn nhất và hiệu suất của chu trình cấp nhiệt đẳng tích là nhỏ nhất: ηctp > ηct > ηctv (6-28) Giới hạn trên của p3, T3 phụ thuộc vào sức bền các chi tiết của động cơ. 6.2 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. 104 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
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 6-6: 3 IV III 2 VI II V I 1 4 Hình 6-6. Tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp 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. 105 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
6.2.1. 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 p2 = const 3 3 P1 2 2 4 1 4 P1 p1 = const 1 v s1=s2 s3=s4 s Hình 6-7. 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. q1 = q23 = Cp.(T3 - T2) (6-28) 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. q2 = q41 = Cp.(T1 – T4) (6-29) Các đại lượng đặc trưng của chu trình: p2 - Tỷ số tăng áp của quá trình nén: β = p1 V3 - Tỷ số giãn nở sớm (trong quá trình cấp nhiệt): ρ = V2 q2 Hiệu suất của chu trình: ηt = 1 - (6-30) q1 T4 − T1 q2 ηt = 1 - =1- (6-31) T3 − T2 q1 Vậy ta sẽ tìm T2 , T3 , T4 theo β và ρ: Trong quá trình đoạn nhiệt 1-2: k −1 k −1 k −1 P  T2 k = 2 =β → T2 = T1. β k k (6-32) P   1 T1 Trong quá trình cấp nhiệt đẳng áp 2-3: 106 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
k −1 T3 V = 3 = ρ → T3 = T2. ρ = T1. ρ. β k (6-33) T2 V2 Trong quá trình giãn nở đoạn nhiệt 3-4: k −1 P  T3 T4 1 k = 1 → T4 = = T1. ρ = (6-34) P  k −1 k −1  2 T3 β β k k Thay tất cả các giá trị T2 , T3 , T4 vào (6-31) ta được: T4 − T1 q2 1 ηt = 1 - =1- = (6-35) k −1 T3 − T2 q1 β k 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. 6.2.2. 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 4 p = const 1 4 1 v s1=s2 s3=s4 s Hình 6-8. 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. q1 = q23 = Cv.(T3 – T2) (6-36) 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. q2 = q41 = Cp.(T1 – T4) (6-37) Các đại lượng đặc trưng của chu trình: p2 - Tỷ số tăng áp của quá trình nén: β = p1 107 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
P3 - Tỷ số tăng áp của quá trình cấp nhiệt: λ = P2 q2 Hiệu suất của chu trình: ηt = 1 - (6-38) q1 T4 − T1 q2 ηt = 1 - = 1 - k. (6-39) T3 − T2 q1 Vậy ta sẽ tìm T2 , T3 , T4 theo β và λ: Trong quá trình nén đoạn nhiệt 1-2: k −1 k −1 k −1 P  T2 k = 2 =β → T2 = T1. β k k (6-40) P   1 T1 Trong quá trình cấp nhiệt đẳng tích 2-3: k −1 T3 P = 3 = λ → T3 = T2. λ = T1. λ. β k (6-41) T2 P2 Trong quá trình giãn nở đoạn nhiệt 3-4: k −1 k −1 k −1 P  P  P  T4 k k 1 1 k = 1 . 2 = 1  = . P  P  P  k −1 k −1  2  3  3 T3 λ β k k T1 .λ 1 T3 → = T1. λ k T4 = = (6-42) k −1 k −1 k −1 λ β .λ k k k Thay tất cả các giá trị T2 , T3 , T4 vào (6-39) ta được: 1 1 λ k −1 λ k −1 q2 k ηt = 1 - = 1 - k. =1- . (6-43) k −1 k −1 k −1 λ −1 q1 λ .β −β β k k k 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. 6.3. 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. 108 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
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: F. Δτ = G.Δω (6-44) G → F= .( ω - ωo) ≈ g.ω ∆τ Phân loại: v 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. v 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. 6.3.1. 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 1 v s1=s2 s3=s4 s 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 . 109 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
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: T4 − T1 q2 1 ηt = 1 - =1- = (6-45) T3 − T2 k −1 q1 β k 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 4 1 4 1 v s1=s2 s3=s4 s 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 λ −1 q2 k k ηt = 1 - =1- . (6-46) k −1 λ −1 q1 β k 110 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
6.4.2. 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 6-11. 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 2 4 4 1 1 s1=s2 s3=s4 v s 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). Hiệu suất nhiệt của chu trình được xác định như sau: 111 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
l0 ηt = (6-47) q1 Công chu trình l0 tính theo công kỹ thuật (bỏ qua công của bơm) l0 = lkt12 + lkt34 = lkt34 - lkt21 ≈ lkt34 (6-48) Mặt khác công kỹ thuật trong một quá trình: ∆ω 2 lkt = ln + (6-49) 2 Quá trình 3-4 không thực hiện công ngoài (ln = 0) nên: ω4 − ω32 ω4 2 2 (bỏ qua ω3 vì rất nhỏ so với ω4) lkt34 = = 2 2 Nhiệt cấp cho chu trình: q1 = q23 = Cp.(T3 - T2) (6-50) ω42 l0 ηt = = (6-51) q1 2C p (T3 − T2 ) 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 −1 Pk  1 − 1 k ω4 =   P2   2 RT3 (6-52) k −1    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). 6.5. Chu trình máy lạnh dùng máy nén không khí Sơ đồ nguyên lý máy lạnh dùng máy nén không khí hình 6-13: 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. 112 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
q1 2 3 III IV II I 4 1 q2 Hình 6-13. 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 3 1 1 4 4 s3=s4 v s1=s2 s Hình 6-14. 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; q1 = q23 = Cp.(T3 – T2) (6-53) 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; q2 = q41 = Cp.(T1 – T4) (6-54) Hệ số làm lạnh của chu trình: T1 − T4 q2 q2 1 εt = = = = (6-55) T2 − T3 q1 − q2 (T2 − T3 ) − (T1 − T4 ) l0 −1 T1 − T4 Quá trình 1-2 và 3-4 là các quá trình đoạn nhiệt nên: k −1 P  T3 T2 k =  2 = (6-56) P  1 T1 T4 113 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
T2 − T3 T T = 2= 3 hay (6-57) T1 − T4 T1 T4 Thay (6-33) vào (6-31) ta được: 1 1 1 εt = = = (6-58) T2 − T3 T2 T3 −1 −1 −1 T1 − T4 T1 T4 Hệ số bơm nhiệt của chu trình: φ=ε+1 (6-59) 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. 114 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com