- -
71
CHƯƠNG 7
CHU TRÌNH THUẬN CHIỀU
7.1: ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI.
7.1.1: Đònh nghóa
: Chu trình thuận chiều là chu trình có các quá trình tiến hành
theo chiều kim đồng hồ, là chu trình sinh công trong các động cơ nhiệt, biến nhiệt
năng thành cơ năng. đây ta chỉ đề cập đến các chu trình thuận nghòch.
7.1.2: Phân loại
:
Chu trình thuận chiều có thể phân loại theo các cách sau:
* Dựa vào phương thức cấp nhiệt, bao gồm:
- Động cơ đốt trong: Là chu trình có quá trình cháy xảy ra bên trong
động cơ như: Động cơ đốt trong kiểu piston, turbine khí, động cơ phản lực, tên lửa,…
- Động cơ đốt ngoài: Là chu trình có quá trình cháy xảy ra bên ngoài
động cơ như: Máy hơi nước, turbine trong nhà máy nhiệt điện, điện đòa nhiệt, điện
mặt trời,…
* Dựa vào tính chất của chất môi giới, bao gồm:
- Động cơ sử dụng chất môi giới được xem là khí lý tưởng.
- Động cơ dùng chất môi giới ở dạng hơi (khí thực) như hơi nước, hơi
thủy ngân, hơi Freon,…
7.2: CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG: (Kiểu Piston).
Nguyên lý hoạt động của loại này đó là sản phẩm cháy được xem là chất môi
giới và thực hiện các quá trình: nạp, nén, cháy nhiên liệu (cấp nhiệt), giãn nở sinh
công và thải. Loại này có động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, dầu hoặc gas. Ngoài ra
phụ thuộc vào hành trình làm việc của piston nên được chia ra: động cơ 2 kỳ, động cơ
4 kỳ.Mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm khác nhau, nhưng thông dụng nhất
hiện nay vẫn là loại 4 kỳ, ở đây ta chỉ đề cập loại 4 kỳ mà thôi.
Hình 7.1 Đồ thò p-v của chu trình thực động cơ đốt trong kiểu piston cấp nhiệt
đẳng tích.
a: van nạp
b: van thải
c: buri tạo tia lửa điện
Nguyên lý hoạt động như sau:
- Quá trình 0-1: là quá trình nạp nhiên liệu và không khí vào lòng xilanh. Lúc
này piston đi từ trái sang phải, van nạp a mở để không khí và nhiên liệu vào lòng
xilanh. p suất bên trong nhỏ hơn áp suất khí trời, khi đến trạng thái1 thì van nạp
đóng lại.
- Quá trình 1-2: là quá trình nén hỗn hợp nhiên liệu và không khí. Piston đi từ
phải sang trái, cả 2 van a và b đều đóng, áp suất trong xilanh tăng lên. Khi đến trạng
thái 2, buri c bật tia lưả điện, toàn bộ hỗn hợp bốc cháy, áp suất và nhiệt độ tăng lên
rất nhanh, và kết thúc quá trình khi piston chưa kòp dòch chuyển nên gọi là quá trình
cấp nhiệt đẳng tích: 2-3.
- Quá trình 3-4: là quá trình giãn nở của sản phẩm cháy để sinh công. Piston đi
từ trái sang phải lần thứ hai, áp suất trong xilanh giảm dần, hai van đều đóng.
- Quá trình 4-1: là quá trình nhả nhiệt (nhả sản phẩm cháy ra ngoài). Khi đến 4
thì van thải b mở ra, do áp suất bên trong lớn hơn áp suất môi trường nên hỗn hợp
cháy thoát ra ngoài rất nhanh, khi piston chưa kòp dòch chuyển nên gọi 4-1 là quá trình
nhả nhiệt đẳng tích.
p
3
2
4
0
1
v
c
b
*Các quá trình:
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt (gồm nhiên liệu và không khí)
2-3: quá trình cấp nhiệt (q
1
) đẳng tích (quá trình cháy)
3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt
4-1: quá trình nhả nhiệt (q
2
) đẳng tích (quá trình thải)
*Hiệu suất nhiệt
:
t
Ta có:
t
= 1 -
1
2
q
q
(*)
Các đại lượng đặc trưng của chu trình gồm:
2
1
v
v
: tỉ số nén
1
dq=0
v
1
q
2
4
p
T
3
q
2
1
2
q
1
s
4
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
74
Từ (*)
t
= 1 -
k
v
v
T
T
1
12
.
k
TT
Quá trình 2-3:(đẳng tích)
Ta có:
2
3
kk
v
v
v
v
T
T
1
1
1
1
.
k-1
( - 1) (7-1)
q
2
= c
v
.T
1
( - 1) (7-2)
(a)
t
= 1 -
1
1
1
k
Vậy:
t
T
2
3
dq=0
1
v
s
1
2
3
4
4
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
75
Các quá trình:
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt (chỉ nén không khí)
2-3: quá trình cấp nhiệt (q
1
) đẳng áp
3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt
4-1: quá trình nhả nhiệt (q
2
) đẳng tích.
*Hiệu suất nhiệt:
t
– T
1
)
Từ (*)
t
= 1 -
23
14
TTk
TT
(b)
- Quá trình 1-2:
1
2
1
1
2
1
123
k
TTT
- Quá trình 3-4:
1
4
3
3
4
k
v
v
T
T
k
k
TT
1
11
14
1
k
kk
TT
k
TT
.
14
k
k
k
(7-6)
Để nâng cao
t
bằng cách ta tăng và giảm .
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
76
7.2.3: Chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp.
*Các quá trình:
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt (chỉ nén không khí)
2-5: quá trình cấp nhiệt (q
1v
) đẳng tích
5-3: quá trình cấp nhiệt (q
1p
) đẳng áp
3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt
4-1: quá trình nhả nhiệt (q
2
) đẳng tích.
5
– T
2
)
q
1p
= c
p
(T
3
– T
5
)
q
2
= c
v
(T
4
– T
1
)
t
= 1 -
5325
12
.
k
TT
- Quá trình 2-5:
2
5
2
5
p
p
T
T
1
125
k
TTT
2
5
2
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
77
- Quá trình 5-3:
5
3
5
3
v
v
T
T
1
153
k
TTT
2
2
3
1
3
4
3
v
v
v
v
v
v
v
v
1
34
.
14
q
1v
= c
v
.T
1
.
k-1
( - 1) (7-7)
q
1p
= c
p
.T
1
.
k-1
.( - 1) (7-8)
q
2
= c
v
.T
1
(.
k
2
:
Hình 7.4 : Đồ thò T-s của 3 chu trình khi có cùng
và q
2s
a
3
v
3
h
3
p
q
2
q
1v
v
, s
b
, s
a
)
q
1h
= dt(s
a
, 2, 5, 3
h
, s
b
, s
a
)
q
1p
= dt(s
a
, 2, 3
p
, s
b
, s
a
)
q
Hình 7.5: Đồ thò T-s của 3 chu trình có cùng q
2
và T
max
Ta có:
t
= 1 -
1
2
q
q
(*)
Dựa vào Hình 7.5 ta có:
q
1p
= dt(1, 2
p
, 3, 4,1
)
q
1h
= dt(1, 2
h
, 5, 3, 4, 1
)
q
2
h
2
v
q
2
q
1v
q
1p
T
s
1
3
4
5
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
79
7.3: CHU TRÌNH TURBINE KHÍ.
Bên cạnh những ưu điểm của 3 loại động cơ đốt trong ở trên như: có thể nâng
cao hiệu suất nhiệt và làm việc ở nhiệt độ cao, nhưng nó có các hạn chế như công
sinh ra không liên tục, điều kiện làm việc của piston ở vận tốc lớn sẽ ảnh hưởng đến
sức bền động cơ,… Để khắc phục các nhược điểm này người ta sử dụng động cơ
turbine khí.
Ưu điểm của turbine khí:
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
80
Khi bơm nhiên liệu 1 và máy nén 2 hoạt động, thông qua các vòi phun 3 không
khí và nhiên liệu có áp và nhiệt độ cao sẽ hòa trộn và tự bốc cháy trong buồng đốt 4.
Hỗn hợp khí cháy được đưa vào ống tăng tốc 5 trước khi thổi vào cánh động của
turbine 6 để sinh công cho máy phát điện 7. Hình 7.7: Đồ thò p-v và T-s chu trình turbine khí cấp nhiệt đẳng áp.
*Các quá trình:
1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt, do máy nén 2 thực hiện
2-3: Quá trình cháy đẳng áp ở buồng đốt 4
2-4: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong turbine 6
4-1: Quá trình nhả nhiệt đẳng áp ra môi trường.
*Hiệu suất nhiệt:
Ta có:
t
= 1 -
1
2
TT
(a)
Ngoài các đại lượng đặc trưng đã có trong chu trình động cơ đốt trong ở trên, ở
đây ta đặt:
1
2
p
p
=: tỉ số tăng áp khí nén.
- Quá trình 1-2:
1
2
1
1
1
2
1
2
k
k
k
TTT
- Quá trình 2-3:
2
3
2
3
v
v
T
T
=
1
123
k
k
TTT
q
p
T
T
1
4
3
4
3
(c)
So sánh (b) và (c):
4
3
1
2
T
T
T
T
.
14
TT
Thay các giá trò nhiệt độ vào (a):
t
= 1 -
1
1
1
k
k
t
= 1 -
k
6
5
4
3
2
1
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
82
3. Vòi phun
4.
buồng đốt
5.
Ống tăng tốc
6.
Cánh động turbine
7.
Bộ hồi nhiệt (gia nhiệt)
8. Máy phát điện
q
(a)
Khi có hồi nhiệt:
c
c
c
t
q
q
1
2
1
(b)
mà
'
211
qqq
c
'
222
qqq
c
2
- -
83
'
21
'
22
1
qq
qq
c
t
(c)
mà q
1
<
'
21
qq
q
2
>
3. Các van nạp và thải 7. Máy phát điện
4. Buồng đốt a. Hệ thống đánh lửa
Hình 7.11: Đồ thò p-v và T-s turbine khí cấp nhiệt đẳng tích
1
2
6
7
5
4
3
a
3
dq = 0
q
2
q
1
4
2
1
Các đại lượng đặc trưng:
1
2
p
p
: tỉ số tăng áp khi nén
2
3
p
p
: tỉ số tăng áp khi cấp nhiệt
Từ :
t
= 1 -
1
2
q
q
(*)
Với: q
1
= c
v
- Quá trình 1-2:
k
k
p
p
T
T
1
1
2
1
2
k
k
TT
1
12
- Quá trình 3-4:
k
k
p
p
T
T
1
3
4
3
4
mà
3
2
2
1
85
k
k
TT
1
34
.
1
k
k
k
k
TT
1
1
1
1
1
1
1
k
; T
2’
= T
4
Các quá trình:
1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt
2-2’: Quá trình cấp nhiệt đẳng áp ở bộ hồi nhiệt
2’-3: Quá trình cấp nhiệt đẳng tích ở buồng đốt
p
v
4
1
2
3
T
s
dq=0
dq=0
1
2
4
3
4'
2'
2'
năng) chuyển thành động năng tạo phản lực để đưa động cơ về phía trước.
Phụ thuộc vào kết cấu động cơ cũng như quá trình cháy động cơ phản lực được
chia làm nhiều loại: động cơ phản lực trực lưu, động cơ phản lực turbine máy nén,
7.4.1: Chu trình động cơ phản lực trực lưu.
Hình 7.13: Sơ đồ nguyên lý động cơ phản lực trực lưu.
1 : Ống tăng áp.
2 : Vòi phun nhiên liệu.
3 : Buồng đốt.
4 : Ống tăng tốc.
w
0
w
w Hình 7.14: Đồ thò p.v và T-s động cơ phản lực trực lưu
Các quá trình:
1-2 : Quá trình nén đoạn nhiệt.
2-3 : Quá trình cấp nhiệt đẳng áp.
3-4 : Quá trình giãn nở đoạn nhiệt ở ống tăng tốc.
4-1 : Quá trình nhả nhiệt đẳng áp.
*Hiệu suất nhiệt
:
Do đồ thò của chu trình giống với đồ thò chu trình turbine cấp nhiệt đẳng áp nên
hiệu suất nhiệt chứng minh tương tự ta cũng có:
k
k
t
1
1
1
(7-15)
Đối với động cơ này để có được vận tốc ban đầu
0
. Động cơ cần phải có một
thiết bò khởi động riêng.
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
88
Hình 7.15: Sơ đồ nguyên lý động cơ phản lực turbine máy nén.
1: Ống tăng áp.
2: Máy nén.
3: Buồng đốt.
4: Turbine.
5: Ống tăng tốc hỗn hợp.
A: Vòi phun nhiên liệu.
So với loại trực lưu, loại này sau ống tăng áp, được đặt thêm một máy nén 2 để
tăng áp suất của không khí lên cao hơn nữa. Máy nén làm việc nhờ động lực từ
turbine 4 trích một phần công giãn nở từ sản phẩm cháy. Sau đó sản phẩm cháy đưa
vào ống tăng tốc hỗn hợp 5 để nâng cao vận tốc tạo phản lực lớn và đưa động cơ về
phía trước.
c
p
1
2
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
89
*Các quá trình:
1-2’: quá trình nén đoạn nhiệt ở ống tăng áp 1.
2’-2: quá trình nén đoạn nhiệt tiếp theo ở máy nén 2
2-3 : quá trình cấp nhiệt đẳng áp trong buồng đốt.
3-3’: quá trình giãn nở đoạn nhiệt một phần trên turbine 4.
3’-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt hoàn toàn ở ống tăng tốc 5.
4-1: quá trình nhả nhiệt đẳng áp ra môi trường.
*Hiệu suất nhiệt
:
Phương pháp tính hiệu suất nhiệt không khác gì so với động cơ turbine cấp
nhiệt đẳng áp.
k
k
t
1
1
1
5
4
3
2
1
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
90
Hình 7.18: Đồ thò p-v động cơ tên lửa
Nguyên lý hoạt động như sau: Nhiên liệu và oxy lỏng đưa vào buồng đốt 4
thông qua các bơm 3. Tại đây nó thực hiện quá trình cháy đẳng áp, sản phẩm cháy
được đưa tiếp vào ống tăng tốc 5 để tăng tốc đồng thời thực hiện quá trình giãn nở
đoạn nhiệt tạo áp lực lớn để đẩy động cơ về phía trước.
*Các quá trình:
Hay: l
n
= -
2
1
vdp
= v
1
(p
2
– p
1
)
Công giãn nở (3-4):
l
gn
= i
3
– i
4
Vậy công của chu trình sẽ là:
l = l
gn
– l
n l = (i
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
91
Nhiệt nhận q
1
sẽ là:
q
1
= c
p
(T
3
– T
2
) = i
3
– i
2
hay:
q
1
= (i
3
– i
1
) – (i
2
– i
13
43
ii
ii
t
(7-17)
Hay có thể xác đònh hiệu suất nhiệt như sau:
Từ đònh luật nhiệt động 1 cho dòng chảy:
dq = di + d
2
2
(f)
và dq = di – vdp (g)
Xét quá trình 3-4 là quá trình giãn nở đoạn nhiệt biến hoàn toàn thành động
năng để sinh công.
Từ (f) và (g):
2
Khi:
3
<<
4
23
2
4
1
2
4
.2.2 TTcq
p
t
(7-18)
7.5: CHU TRÌNH THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC HƠI NƯỚC .
7.5.1: Chu trình carnot của khí thực. ( hơi nước)
Từ đònh luật nhiệt động thứ hai ta biết trong phạm vi nhiệt độ giữa hai nguồn
nóng và lạnh như nhau, thì chu trình carnot có hiệu suất nhiệt là lớn nhất.
2-3: Quá trình ngưng hơi đẳng áp cũng là đẳng nhiệt, được thực hiện
trong bình ngưng.
3-4: Quá trình nén đoạn nhiệt ở máy nén.
Hiệu suất nhiệt vẫn áp dụng công thức:
1
2
1
T
T
t
(7-19)
Tuy vậy chu trình carnot hơi nước không được áp dụng vì có một số hạn chế
sau: Do quá trình ngưng 2-3 không hoàn toàn (còn hơi) nên máy nén có kích thước
lớn. ( công tiêu hao lớn). Nhiệt độ 2 nguồn nóng và lạnh bò khống chế (t
k
= 374
0
C),
nên hiệu suất nhiệt làm việc trong vùng này không cao.
Để nâng cao hiệu suất nhiệt, bằng cách tăng T
1
thì công của chu trình sẽ giảm
xuống : l = dt (1’ 2’ 3’ 4’).
7.5.2: Chu trình Rankine .
Để khắc phục một số nhược điểm của chu trình carnot ở trên người ta thay đổi
một số quá trình trong chu trình như sau:
2'
3'
3
4
1
1'
4'
2
3
1
4
T
k
v
s
k
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
93
a/ Sơ đồ và đồ thò:
e
d
a
b
c
2
1
5
k
4
1
q
2
q
3
2'
x = 0
p
p
v
Truong DH SPKT TP. HCM
Thu vien DH SPKT TP. HCM -
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
- -
94
3-4-5: quá trình cấp nhiệt đẳng áp từ nước chưa sôi đến nước sôi và đạt
đến hơi bão hoà khô. ( trong lò hơi)
5-1: quá trình cấp nhiệt đẳng áp tiếp theo ở bộ quá nhiệt.
b/ Hiệu suất nhiệt của chu trình
:
1
21
q
qq
t
(a)
Công của bơm a rất nhỏ có thể bỏ qua do đó ta xem trạng thái 3 trùng với 2’.
q
1
Vậy:
31
21
ii
ii
t
(7-20)
7.5.3: Các biện pháp nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình khí thực.
Hiệu suất của chu trình phụ thuộc rất lớn đến các thông số hơi vào và ra khỏi
turbine,để nâng cao hiệu suất nhiệt ta thường điều chỉnh những thông số này.
a/ nh hưởng của áp suất hơi vào turbine
: (p
1
)
Trong trường hợp này nếu ta tăng áp suất hơi vào turbine p
1
, trong khi vẫn giữ
nguyên nhiệt độ t
1
và áp suất ra khỏi turbine p
2
. Điều này thể hiện trên đồ thò T-s và
i-s như sau:
1
p
p
2
2
2
'
'
1
1
x = 1
x = 0
'
p
2
p
1
1
p
'
2
2
1
1
'
t
1
i
k
1
Khi ta tăng t
1
vẫn giữ nguyên p
1
và p
2
, dựa vào đồ thò i-s ta thấy rằng độ biến
thiên enthanpy sẽ tăng lên làmø cho hiệu suất nhiệt tăng.
Mặt khác khi tăng t
1
cuối quá trình giãn nở trong turbine, tại trạng thái 2’ độ
khô cũng tăng lên, điều này sẽ giảm bớt sự xâm thực cơ học trên cánh động turbine.
Để hiệu suất nhiệt tăng cao, đồng thời ta tăng cả p
1
và t
1
.
Tuy vậy nhiệt độ t
1
cũng không tăng quá cao sẽ ảnh hưởng đến sức bền của
turbine. ( thông thường: p
1max
= 300
bar, t
1max
= 650
0
C)
t
1
2
'
1
2
p
s
1
t
i
2
p
1
k
t
1
'
p
2
p
2
2
'
2
Copyright: Tài liệu đại học ©