- 61 -
Ass. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
Chương 5 :
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
CỦA THIẾT BỊ NHIỆT ĐIỂN HÌNH
5.1. KHÁI NIỆM CHUNG
• Chu trình nhiệt động bao gồm hàng loạt quá trình nhiệt động kế tiếp nhau, trong đó
trạng thái của MCCT thay đổi liên tục rồi trở lại trạng thái ban đầu.
• Biểu diễn chu trình nhiệt động :
50
20
V
V
S
V
C
p
a
b
c
z
Q
1
Q
2
W
out
s
T
c
z
Q
1
Q
2
W
out
a
b
a
1
b
1
a) b)
H. 5.1-1. Chu trình nhiệt động của động cơ xăng
trên đồ thị công (a) và đồ thị nhiệt (b)
• Ý nghĩa của chu trình nhiệt động - để biến nhiệt thành cơ năng trong máy nhiệt,
người ta cấp nhiệt cho MCCT rồi cho MCCT dãn nở. Để tạo ra cơ năng một cách liên tục,
MCCT phải dãn nở liên tục. Điều này được giải quyết bằng cách cho MCCT dãn nở, sau đó nén
MCCT về trạng thái ban đầu rồi lại cho dãn nở.
5.2. CHỈ TIÊU HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
1) Hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt :
in
out
tQ
W
=
η
Trong đó : ηt - Hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt ; Wout -
Công do MCCT sinh ra trong 1 chu trình ; Qin - nhiệt lượng cấp cho MCCT trong 1 chu
trình.
2) Hệ số làm lạnh của máy lạnh :
in
in
ref W
Q
=
η
- 62 -
Ass. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
ηref - Hệ số làm lạnh của máy lạnh ; Qin - Nhiệt lượng mà MCCT lấy từ nguồn
lạnh trong 1 chu trình ; Win - Công tác dụng lên MCCT trong 1 chu trình.
3) Hệ số bơm nhiệt của bơm nhiệt :
in
out
hp W
Q
=
η
ηhp - Hệ số bơm nhiệt của bơm nhiệt ; Qout - Nhiệt lượng mà MCCT truyền cho
nguồn nóng trong 1 chu trình ; Win - Công tác dụng lên MCCT trong 1 chu trình.
5.3. CHU TRÌNH CARNOT
vs
1
q
1
0
2
3
4
1
0
2
3
4
pT
T
1
T
2
s
1
s
2
q
2
W
out
q
1
- q
2
H. 5.3-1. p-v and T-s Diagram for Carnot Cycle
• Hiệu suất của chu trình carnot thuận :
q1 = T1 (s2 - s1) ; q2 = T2 (s2 - s1)
1
2
1
21
1
1
||
T
T
q
qq
q
w
carnot −=
−
==
η
• Nhận xét
1) Hiệu suất nhiệt của chu trình carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng và
nhiệt độ của nguồn lạnh. T 1 càng lớn và T 2 càng nhỏ thì
η
carnot càng cao.
2) Với cùng T 1 và T2, hiệu suất nhiệt của bất kỳ chu trình động cơ nhiệt nào khác đều
nhỏ hơn
η
carnot.
3) Hiệu suất của động cơ nhiệt bao giờ cũng nhỏ hơn 1.
- 63 -
Ass. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
5.4. CHU TRÌNH LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
• Nhiệt độ cực tiểu : Tmin = T0
• Nhiệt độ cực đại : Tmax ≈ 2800 K
• Áp suất cực tiểu : pmin = p0
• Áp suất cức đại : pmax ≈ 150 bar
T
T
max
T
min
a
c
c' z
b
b'
s
p > p
max
p
max
p
min
p < p
min
p
a
b
c
z
b'
p
0
0
V
C
V
S
H. 5.4-1. Thiết lập chu trình nhiệt đông của ĐCĐT
trên cơ sở chu trình carnot
BÀI TẬP CHƯƠNG 5
1) Định nghĩa các khái niệm sau đây : chu trình nhiệt động, chu trình nhiệt động thuận
nghịch, chu trình nhiệt động hở, chu trình nhiệt động kín ?
2) Biểu diễn chu trình Carnot trên đồ thị công và đồ thị nhiệt ? Lập công thức hiệu suất
nhiệt của chu trình Carnot ηcarnot = f(T1, T2) và chứng minh rằng : ηcarnot chỉ phụ
thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng T1 và nhiệt động nguồn lạnh T2 ?
3) Chứng minh rằng : hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot (ηcarnot) cao hơn hiệu suất
nhiệt của bất kỳ chu trình của động cơ nhiệt nào khác có cùng nhiệt độ nguồn nóng
(T1) và nguồn lạnh (T2) ?
4) Thiết lập chu trình nhiệt động của động cơ đốt trong trên cơ sở chu trình Carnot và
các hạn chế kỹ thuật ?
5) Biểu diễn chu trình lý thuyết của động cơ xăng trên đồ thị công, đồ thị nhiệt và lập
công thức hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết của động cơ xăng ?
6) Phân tích và biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất nhiệt của động cơ xăng vào tỷ số
nén (ε) và tính chất của môi chất công tác (k) ?
7) Biểu diễn chu trình lý thuyết của động cơ diesel trên đồ thị công, đồ thị nhiệt và lập
công thức hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết của động cơ diesel ?
8) Phân tích và biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất nhiệt của động cơ diesel vào tỷ số
nén (ε), phương pháp cấp nhiệt (ψ, ρ) và tính chất của môi chất công tác (k) ?
9) So sánh chu trình cấp nhiệt đẳng tích với chu trình cấp nhiệt đẳng áp về phương diện
hiệu quả kinh tế ?
10) Phân tích và biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất nhiệt của động cơ xăng vào tỷ số
nén (ε) và tính chất của môi chất công tác (k) ?
- 64 -
Ass. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
BÀI TẬP CHƯƠNG 5
Bài tập 5-1 : Chu trình carnot được thực hiện nhờ 2 nguồn nhiệt có nhiệt độ Tmax
= 900 0K, Tmin = 300 0K. Áp suất lớn nhất mà chu trình đạt được là pmax = 60 bar, áp suất
nhỏ nhất pmin = 1 bar. MCCT là khí lý tưởng với m = 1 kg và k = 1,4.
1) Biểu diễn chu trình trên đồ thị công và đồ thị nhiệt ?
2) Thông số trạng thái (p, v, T) ở các điểm đặc trưng của chu trình ?
3) Lượng nhiệt mà MCCT nhận và thải ra (q1, q2) ?
4) Công chu trình (w) ?
5) Hiệu suất nhiệt (η)?
Bài tập 5-2 : Máy nén một cấp lý tưởng nén không khí từ áp suất p1 = 1 at, nhiệt
độ t1 = 27 0C đến áp suất p2 = 8 at. Năng suất máy nén V = 100 m3/h, độ tăng nhiệt độ
nước làm mát máy nén ∆tm = 13 0C, nhiệt dung riêng của nước cm = 4180 J/kg.deg. Xem
quá trình nén là đa biến có n = 1,2, không khí là khí lý tưởng có khối lượng phân tử µ =
29, nhiệt dung riêng mol đẳng tích cµv = 20,9 kJ/kmol.deg, nhiệt dung riêng mol đẳng áp
cµp = 29,3 kJ/kmol.deg, chỉ số nén đoạn nhiệt k = 1,4.
1) Biểu diễn chu trình nhiệt động trên đồ thị công ?
2) Xác định công suất lý thuyết của máy nén (N) ?
3) Xác định lưu lượng nước làm mát máy nén (mm) ?
Bài tập 5-3 : Máy nén một cấp có tỷ số giữa thể tích chết Vc và dung tích công
tác Vs là ω = Vc/Vs = 0,05. Nén lượng không khí V = 400 m3/h từ áp suất pa = 1 bar,
nhiệt độ ta = 20 0C đến áp suất pc = 7 bar. Các quá trình nén và dãn nở là quá trình đa
biến với n = 1,3. Hiệu suất hiệu dụng của máy nén ηN = 0,7. Xem không khí lý tưởng có
khối lượng phân tử µ = 29.
1) Biểu diễn chu trình trên đồ thị công ?
2) Xác định công suất tiêu thụ cho máy nén (N) ?
3) Xác định thể tích riêng của không khí tại các điểm đặc trưng ?
4) Hiệu suất thể tích của máy nén (ηv) ?
Bài tập 5-4 : Động cơ xăng 1 xylanh có dung tích công tác VS = 0,006 m3, thể tích
buồng đốt VC = 0,001 m3. Chu trình trình lý thuyết bao gồm các quá trình : nén đoạn
nhiệt (a-c), cấp nhiệt đẳng tích (c-z), dãn nở đoạn nhiệt (z-b) và nhả nhiệt đẳng tích (b-a).
- 65 -
Ass. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
ta = 20 0C, pa = 1 bar, pz = 25 bar. Môi chất công tác là khí lý tưởng có chỉ số đoạn nhiệt
k = 1,4, khối lượng phân tử µ = 29, nhiệt dung riêng đẳng tích cµv = 20,9 kJ/kmol.deg.
1) Biểu diễn chu trình trên đồ thị công và đồ thị nhiệt ?
2) Thông số trạng thái (p, v, T) ở các điểm đặc trưng của chu trình ?
3) Lượng nhiệt mà MCCT nhận và thải ra (Q1, Q2) ?
4) Công chu trình (W) ?
5) Hiệu suất nhiệt (η)?
Bài tập 5-5 : Chu trình lý thuyết của động cơ diesel bao gồm các quá trình : nén
đoạn nhiệt a - c, cấp nhiệt đẳng áp c - z, dãn nở đoạn nhiệt z - b, nhả nhiệt đẳng tích b -
a. Môi chất công tác là khí lý tưởng có khối lượng m = 1 kg, phân tử lượng µ = 29, nhiệt
dung riêng đẳng áp cµp = 29,3 kJ/kmol.deg, chỉ số đoạn nhiệt k = 1,4.
Biết : pa = 1 bar; ta = 20 0C; tỷ số nén ε = va/vc = 12,7; tỷ số dãn nở ban đầu ρ =
vz/vc = 2
1) Biểu diễn chu trình trên đồ thị công và đồ thị nhiệt ?
2) Thông số trạng thái (p, v, T) ở các điểm đặc trưng của chu trình ?
3) Lượng nhiệt mà MCCT nhận và thải ra (Q1, Q2) ?
4) Công chu trình (W) ?
5) Hiệu suất nhiệt (η)?