Các chu trình nhiệt động_chương 7
Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt mà quá trình cháy được tiến hành bên trong xi 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 làm động cơ cho ô tô.
Ch−¬ng 7. c¸c chu tr×nh nhiÖt ®éng
7.1. chu tr×nh ®éng c¬ ®èt trong
7.4.1. Chu tr×nh Carno h¬i n−íc
7.1.1. Kh¸i niÖm
§éng c¬ ®èt trong lµ ®éng c¬ nhiÖt mµ qu¸ tr×nh ch¸y ®−îc tiÕn hµnh bªn
trong xi lanh vµ s¶n phÈm ch¸y ®−îc th¶i ra m«i tr−êng. §©y lµ chu tr×nh biÕn ®æi
nhiÖt thµnh c«ng. HiÖn nay ®éng c¬ ®èt trong ®wocj sö dông nhiÒu trong s¶n xuÊt
vµ sinh ho¹t nh− dïng lµm ®éng c¬ cho «t«, m¸y kÐo, xe löa, m¸y ph¸t ®iÖn . . .
M«i chÊt lµm viÖc trong ®éng c¬ ®èt trong lóc ®Çu lµ kh«ng khÝ vµ nhiªn
liÖu, sau ®ã lµ s¶n phÈm ch¸y cña hçn hîp kh«ng khÝ vµ nhiªn liÖu.
Cã nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i ®éng c¬ ®èt trong, cã thÓ ph©n lo¹i theo nhiªn liÖu
sö dông, theo hµnh tr×nh piston, theo qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt . . . ë ®©y, theo quan
®iÓm nhiÖt ®éng, dùa vµo chu tr×nh cÊp nhiÖt ta ph©n ®éng c¬ ®èt trong thµnh 3
lo¹i: chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p, chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch, chu tr×nh cÊp nhiÖt
hçn hîp.
§Ó nghiªn cøu c¸c qu¸ tr×nh cña ®éng c¬ ®èt trong, ta gi¶ thiÕt:
- M«i chÊt lµ khÝ lý t−ëng vµ ®ång nhÊt,
- C¸c qu¸ tr×nh xÈy ra ®Òu lµ thuËn nghÞch,
- Qu¸ tr×nh ch¸y lµ qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt, qu¸ tr×nh th¶i s¶n phÈm ch¸y lµ qu¸
tr×nh nh¶ nhÞªt.
- C«ng trong qu¸ tr×nh n¹p m«i chÊt vµ qu¸ tr×nh th¶i s¶n phÈm ch¸y triÖt
tiªu lÉn nhau vµ biÕn hÖ ë ®©y thµnh hÖ kÝn.
7.1.2. Chu tr×nh cÊp nhiÖt hçn hîp
7.1.2.1. M« t¶ chu tr×nh
Trong chu tr×nh cÊp nhiÖt hçn hîp, nhiªn liÑu sÏ ®−îc b¬m cao ¸p nÐn ®Õn
¸p suÊt cao, phun vµo xi lanh ë d¹ng s−¬ng mï. Trong xi lanh kh«ng khÝ sÏ ®·
®−îc nÐn ®Õn ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cao, vµo xi lanh gÆp kh«ng khÝ nhiªn liÖu sÏ tù
bèc ch¸y ngay. Qu¸ tr×nh ch¸y gåm hai giai ®o¹n: giai ®o¹n ®Çu ch¸y ®¼ng tÝch,
giai ®o¹n sau ch¸y ®¼ng ¸p. Chu tr×nh ch¸y lý t−ëng cña ®éng c¬ ®èt trong cÊp
nhiÖt hçn hîp ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 7.1. Chu tr×nh gåm:
1-2 lµ qu¸ tr×nh nÐn ®oan nhiÖt,
2-2’ lµ qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch, m«i chÊt nhËn nhiÖt l−îng q1’,
2’-3 lµ qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p, m«i chÊt nhËn nhiÖt l−îng q1”
3-4 lµ qu¸ tr×nh d·n në ®o¹n nhiÖt,
4-1 lµ qu¸ tr×nh nh¶ nhiÖt ®¼ng tÝch, nh¶ nhiÖt l−îng q2,
72
7.1.2.2. HiÖu suÊt chu tr×nh cÊp nhiÖt hçn hîp
H×nh 7.1 Chu tr×nh cÊp nhiÖt hçn hîp
* C¸c ®¹i l−îng ®Æc tr−ng cho chu tr×nh:
- Th«ng sè tr¹ng th¸i ®Çu: p1, T1,
- Tû sè nÐn:
v
ε= 1 (7-1)
v2
- TØ sè t¨ng ¸p:
p
λ= 3 (7-2)
p2
- HÖ sè d·n në sím:
v3
ρ= (7-3)
v' 2
* HiÖu suÊt cña chu tr×nh:
q − q2
η ct = 1 (7-4)
q1
Trong ®ã:
q1 lµ nhiÖt l−îng chu tr×nh nhËn ®−îc tõ qu¸ tr×nh ch¸y nhiªn liÖu, gåm
q1’ lµ nhiÖt l−îng nhËn ®−îc tõ qu¸ tr×nh ch¸y ®¼ng tÝch 2-2’,
q1” lµ nhiÖt l−îng nhËn ®−îc tõ qu¸ tr×nh ch¸y ®¼ng ¸p 2’-3,
vËy: q1 = q1’+ q1”,
q2 lµ nhiÖt l−îng cho nguån l¹nh trong qu¸ tr×nh nh¶ nhiÖt ®¼ng tÝch 4-1, Tõ
®ã ta cã hiÖu suÊt chña chu tr×nh lµ:
q
η ct = 1 − ' 2 '" (7-5)
q1 + q1
v× 2-2’ lµ qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch, nªn q1” = Cv(T2 - T2’),
v× 2’-3 lµ qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p, q1” = Cp(T3 - T2’),
v× 4-1 lµ qu¸ tr×nh nh¶ nhiÖt ®¼ng tÝch, nªn q2 = Cv(T4 - T1),
Thay c¸c gi¸ trÞ cña q1’, q1” vµ q2 vµo (7-5) ta ®−îc:
73
C v (T4 − T1 )
η ct = 1 −
C v (T2 − T2 ) + C p (T3 − T2 ) (7-6a)
' '
(T4 − T1 )
η ct = 1 −
2
(T
− T2 ) + k (T3 − T2 )
' '
(7-6b)
Dùa vµo ®Æc ®iÓm qu¸ tr×nh cña c¸c chu tr×nh, ta tiÕp tôc biÕn ®æi ®Ó cã thÓ
tÝnh hiÖu suÊt cña chu tr×nh theonhiÖt ®é ®Çu T1 vµ c¸c ®¹i l−îng ®Æc tr−ng cho
chu tr×nh nh− sau:
- V× 1-2 lµ qu¸ tr×nh nÐn ®oan nhiÖt nªn ta cã
k −1
T2 ⎛ v 1 ⎞
= ⎜ ⎟ = ε k −1 , suy ra: T2 = T1 ε k −1 ,
T1 ⎜ v 2 ⎟
⎝ ⎠
2-2’ lµ qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch nªn:
T2' p 2'
= = λ , suy ra: T2' = λT2 = λT1ε k −1 ,
T2 p 2
2’-3 lµ qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p nªn:
T3 v 3
= = ρ , suy ra: T3 = ρT2' = ρλT1ε k −1 ,
T2 ' v 2 '
3-4 lµ qu¸ tr×nh d·n në ®o¹n nhiÖt nªn:
k −1 k −1 k −1
T4 ⎛ v 3 ⎞
k −1
⎛ v3 ⎞ ⎛ v3 v2 ⎞
= ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ = ⎜ . ⎟ = ⎛ ρ ⎞ , suy ra: ⎜ ⎟
T3 ⎜ v 4 ⎟ ⎜v ⎟ ⎜v v ⎟ ⎝ε⎠
⎝ ⎠ ⎝ 1⎠ ⎝ 2 1⎠
k −1 k −1
⎛ρ⎞ ⎛ρ⎞
T4 = T3 ⎜ ⎟ = T1ρλε k −1 ⎜ ⎟ = λT1ρ k
⎝ε⎠ ⎝ε⎠
Thay c¸c gi¸ trÞ T2, T2’ , T3 vµ T4 vµo (7-6) ta cã:
T1 λρ k − T1
η ct = 1 −
(T1λε k −1 − T1ε k −1 ) + k (T1ρλε k −1 − T1λε k −1 )
Rót gän l¹i ta cã hiÖu suÊt chu tr×nh:
λρ k − 1
η ct = 1 − k −1 (7-7)
ε [(λ − 1) + kλ(ρ − 1)]
7.1.3. C¸c chu tr×nh kh¸c
Ngoµi chu tr×nh cÊp nhiÖt hçn hîp, cßn cã chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p, chu
tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch.
7.1.3.1. Chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch
ë chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch, nhiªn liÖu (x¨ng) vµ kh«ng khÝ ®−îc hçn
hîp tr−íc ë ngoµi xi lanh. Sau ®ã hçn nhiªn liÖu vµ kh«ng khÝ ®−îc n¹p vµo xi
lanh vµ nÐn ®o¹n nhiÖt ®Õn ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cao (®−îc biÓu diÔn b»ng ®o¹n 1-
2) nh−ng vÉn thÊp h¬n nhiÖt ®é tù bèc ch¸y cña nã nªn nã kh«ng tù bèc ch¸y
74
®−îc. Qu¸ tr×nh ch¸y xÈy ra nhê bugi bËt tia löa ®iÖn, qu¸ tr×nh ch¸y (®−îc biÓu
diÔn b»ng ®o¹n 2-3) xÈy ra rÊt nhanh lµm cho ¸p suÊt trong xi lanh t¨ng vät lªn
trong khi xi lanh ch−a kÞp dÞch chuyÓn, thÓ tÝch hçn hîp khÝ trong xi lanh kh«ng
®æi, v× vËy qu¸ tr×nh nµy cã thÓ coi lµ qu¸ tr×nh ch¸y ®¼ng tÝch. Sau ®ã s¶n phÈm
ch¸y d·n në , ®Èy piston dÞch chuyÓn vµ sinh c«ng. Qu¸ tr×nh d·n në nµy ®−îc coi
lµ ®o¹n nhiÖt, (®−îc biÓu diÔn b»ng ®o¹n 3-4). Cuèi cïng lµ qu¸ tr×nh th¶i s¶n
phÈm ch¸y ra ngoµi (®−îc biÓu diÔn b»ng ®o¹n 4-1), ®©y cïng lµ qu¸ tr×nh ®¼ng
tÝch. C¸c qu¸ tr×nh lÆp l¹i nh− cò, thùc hiÖn chu tr×nh míi.
H×nh 7.2 Chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch
§©y chÝnh lµ chu tr×nh ®éng c¬ «t« ch¹y x¨ng hay cßn gäi lµ ®éng c¬ ch¸y
c−ìng bøc nhê bugi ®¸nh löa. §å thÞ thay ®æi tr¹ng th¸i cña m«i chÊt ®−îc biÓu
diÔn trªn h×nh 7.2.
Tõ c«ng thøc tÝnh hiÖu suÊt cña chu tr×nh cÊp nhiÖt hçn hîp (7-7), ta thÊy:
NÕu chu tr×nh cÊp nhiÖt hçn hîp cã ρ = 1, tøc lµ v2’ = v2 = v3, nh− vËy qu¸
tr×nh cÊp nhiÖt chØ cßn giai ®o¹n ch¸y ®¼ng tÝch 2-3, khi ®ã chu tr×nh cÊp nhiÖt hçn
hîp trë thµnh chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch.
Khi ®ã thay ρ = 1 vµo c«ng thøc (7-7) ta ®−îc hiÖu suÊt chu tr×nh cÊp nhiÖt
®¼ng tÝch:
λ −1 1
η ct = 1 − k −1 = 1 − k −1 (7-8)
ε (λ − 1) ε
Nh− vËy hiÖu suÊt nhiÖt chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch chØ phô thuéc vµo tØ
sè nÐn ε.
7.1.3.2. Chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p
NÕu chu tr×nh cÊp nhiÖt hçn hîp cã λ = 1, tøc lµ p2’ = p2 = p3, nghÜa lµ qu¸
tr×nh cÊp nhiÖt chØ cßn giai ®o¹n ch¸y ®¼ng ¸p 2-3, khi ®ã chu tr×nh cÊp nhiÖt hçn
hîp trë thµnh chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p. ë chu tr×nh nµy, kh«ng khÝ ®−îc nÐn
®o¹n nhiÖt ®Õn ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cao, ®Õn cuèi qu¸ tr×nh nÐn nhiªn liÖu ®−îc
phun vµo xi lanh d−íi d¹ng s−¬ng mï, pha trén víi kh«ng khÝ t¹o nªn hçn hîp
ch¸y vµ sÏ tù bèc ch¸y.
Khi ®ã thay λ = 1 vµo c«ng thøc (7-7) ta ®−îc hiÖu suÊt chu tr×nh cÊp nhiÖt
®¼ng ¸p:
75
ρk − 1
η ct = 1 − (7-9)
ε k −1 k (ρ − 1)
Nh− vËy hiÖu suÊt nhiÖt chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch chØ phô thuéc vµo tØ
sè nÐn ε vµ tØ sè d·n në sím ρ.
Qu¸ tr×nh thay ®æi tr¹ng th¸i cña m«i chÊt trong chu tr×nh ®−îc biÓu diÔn
trªn ®å thÞ p-v vµ T-s h×nh 7.3.
HiÖn nay ng−êi ta kh«ng chÕ t¹o ®éng c¬ theo nguyªn lý nµy n÷a.
H×nh 7.3 Chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p
7.1.3. NhËn xÐt
- HiÖu suÊt nhiÖt cña chu tr×nh ®éng c¬ cÊp nhiÖt hçn hîp phô thuéc vµo k,
- §éng c¬ cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p vµ cÊp nhiÖt hçn hîp cã thÓ lµm viÖc víi tû sè
nÐn rÊt cao. Tuy nhiªn khi ®ã chiÒu dµi xi lanh còng sÏ ph¶i t¨ng lªn vµ gÆp khã
kh¨n trong vÊn ®Ò chÕ t¹o, ®ång thêi tæn thÊt ma s¸t cña ®éng c¬ sÏ t¨ng vµ lµm
gi¶m hiÖu suÊt cña nã.
- Trong ®éng c¬ cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch qu¸ tr×nhch¸y lµ c−ìng bøc (nhê
bugi), nÕu ε t¨ng cao qu¸ trÞ sè giíi h¹n (6-9) th× hçn hîp ch¸y sÏ tù bèc ch¸y khi
bugi ch−a ®¸nh löa, sÏ ¶nh h−ëng xÊu ®Õn chÕ ®é lµm viÖc b×nh th−êng cña ®éng
c¬. Ngoµi ra khi tû sè nÐn lín th× tèc ®é ch¸y cã thÓ t¨ng lªn mét c¸ch ®ét ngét
g©y ra hiÖn t−îng kÝch næ (v× hçn hîp nÐn lµ hçn hîp ch¸y) ph¸ háng c¸c chi tiÕt
®éng c¬. V× vËy tØ sè nÐn cÇn ®−îc lùa chän phï hîp víi tõng lo¹i nhiªn liÖu.
7.1.5. So s¸nh hiÖu suÊt nhiÖt cña chu tr×nh ®éng c¬ ®èt trong (ηctp, ηct, ηctv)
§Ó ®¸nh gi¸ hiÖu suÊt nhiÖt cña ®éng c¬ ®èt trong lµm viÖc theo c¸c chu
tr×nh kh¸c nhau, ta so s¸nh c¸c chu tr×nh víi c¸c ®iÒu kiÖn sau:
a. Khi cã cïng tØ sè nÐn ε vµ nhiÖt l−îng q1 cÊp vµo cho chu tr×nh:
Trªn ®å thÞ T-s h×nh 7.4 biÓu diÔn 3 chu tr×nh: 123v4v1 lµ chu tr×nh cÊp
nhiÖt ®¼ng tÝch, 122’341 lµ chu tr×nh cÊp nhiÖt hçn hîp vµ 123p4p1 chu tr×nh cÊp
nhiÖt ®¼ng ¸p. 3 chu tr×nh nµy cã cïng tû sè nÐn ε vµ nhiÖt l−îng q1, nghÜa lµ
cïng v1, v2 vµ c¸c diÖn tÝch a23vd, a22’3c vµ a23pb b»ng nhau. Tõ (7-4) ta thÊy:
c¸c chu tr×nh cã cïng q1, chu tr×nh nµo cã q2 nhá h¬n sÏ cã hiÖu suÊt nhiÖt cao
h¬n.
q2 cña chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch b»ng diÖn tÝch a14vb lµ nhá nhÊt,
76
q2 cña chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p b»ng diÖn tÝch a14pd lµ lín nhÊt,
q2 cña chu tr×nh cÊp nhiÖt hçn hîp b»ng diÖn tÝch a14c cã gi¸ trÞ trung gian
so víi hai chu tr×nh kia.
VËy hiÖu suÊt cña chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch lµ lín nhÊt vµ hiÖu suÊt cña
chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p lµ nhá nhÊt:
ηctv > ηct > ηctp (7-10)
H×nh 7.4. So s¸nh c¸c chu tr×nh H×nh 7.5. So s¸nh c¸c chu tr×nh
b. KhÝ cã cïng ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é lín nhÊt vµ nhá nhÊt:
ë ®©y ta so s¸nh hiÖu suÊt nhiÖt cña chu tr×nh cïng nh¶ mét nhiÖt l−îng q2
gièng nhau, cïng lµm viÖc víi øng suÊt nhiÖt nh− nhau (cïng Tmax vµ pmax).
Víi cïng ®iÒu kiÖn ®ã, c¸c chu tr×nh ®−îc biÓu diÔn trªn ®å thÞ T-s h×nh
7.5. 12p34 lµ chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p, 122’341 lµ chu tr×nh cÊp nhiÖt hçn hîp
vµ 12v34 chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch. Trªn ®å thÞ, 3 chu tr×nh nµy cã cïng p1, T1
vµ cïng p3, T3 nghÜa lµ cïng nh¶ ra mét l−îng nhiÖt q2 (diÖn tÝch 14ab) trong ®ã:
nhiÖt l−îng q1 cÊp vµo cho chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p b»ng diÖn tÝch a2p3b lµ
lín nhÊt, nhiÖt l−îng q1 cÊp vµo cho chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch b»ng diÖn tÝch
a2v3b lµ nhá nhÊt.
VËy theo (7-4) ta thÊy hiÖu suÊt cña chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p lµ lín nhÊt
vµ hiÖu suÊt cña chu tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng tÝch lµ nhá nhÊt:
ηctp > ηct > ηctv (7-11)
Giíi h¹n trªn cña p3, T3 phô thuéc vµo søc bÒn c¸c chi tiÕt cña ®éng c¬.
7.2. Chu tr×nh tuèc bin khÝ
−u ®iÓm cña ®éng c¬ ®èt trong lµ cã hiÖu suÊt cao. Tuy nhiªn, ®éng c¬ ®èt
trong cã cÊu t¹o phøc t¹p v× ph¶i cã c¬ cÊu ®Ó biÕn chuyÓn ®éng th¼ng thµnh
chuyÓn ®éng quay, nªn c«ng suÊt bÞ h¹n chÕ. ®Ó kh¾c phôc c¸c nh−îc ®iÓm trªn,
ng−êi ta dïng tuèc bin khÝ. Tuèc bin khÝ cho phÐp chÕ t¹o víi c«ng suÊt lín, sinh
c«ng liªn tôc, thiÕt bÞ gän nhÑ nªn ®−îc sö dông réng r·i ®Ó kÐo m¸y ph¸t ®iÖn,
sö dông trong giao th«ng vËn t¶i. Dùa vµo qu¸ tr×nh ch¸y cña nhiªn liÖu, cã thÓ
chia thµnh hai lo¹i: tuèc bin khÝ ch¸y ®¼ng ¸p vµ tuèc bin khÝ ch¸y ®¼ng tÝch.
7.2.1. S¬ ®å thiÕt bÞ vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña tuèc bin khÝ
77
S¬ ®å thiÕt bÞ vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña tuèc bin khÝ ®−îc biÓu diÔn trªn
h×nh 7.6. Kh«ng khÝ ®−îc nÐn ®o¹n nhiÖt trong m¸y nÐn khÝ I, phÇn lín ®−îc ®−a
vµo buång ®èt III, mét phÇn nhá ®−îc ®−a ra phÝa sau buång ®èt ®Ó hoµ trén víi
s¶n phÈm ch¸y nh»m lµm gi¶m nhiÖt ®é s¶n phÈm ch¸y tr−íc khi vµo tuèc bin.
Nhiªn liÖu ®−îc b¬m hoÆc m¸y nÐn II ®−a vµo buång ®èt III.
Nhiªn liÖu vµ kh«ng khÝ ®−îc sÏ t¹o thµnh hçn hîp ch¸y vµ ch¸y trong
buång ®èt III. S¶n phÈm ch¸y cã ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cao ( kho¶ng 1300-15000C)
®−îc pha trén víi kh«ng khÝ trÝch tõ m¸y nÐn, t¹o thµnh hçn hîp cã nhiÖt ®é cã
nhiÖt ®é kho¶ng 900-11000C. Sau ®ã, s¶n phÈm ch¸y®−îc ®−a qua èng t¨ng tèc
IV, tèc ®é sÏ t¨ng lªn vµ ®i vµo tuèc bin, biÕn ®éng n¨ng thµnh c¬ n¨ng trªn c¸nh
tuèc bin, lµm quay tuèc bin kÐo m¸y ph¸t quay theo. S¶n phÈm ch¸y sau khi ra
khái tuèc bin ®−îc th¶i ra m«i tr−êng.
H×nh 7.6. S¬ ®å thiÕt bÞ tuèc bin khÝ
Qu¸ tr×nh ch¸y cã thÓ lµ:
- Ch¸y ®¼ng ¸p p = const. ë ®©y m«i chÊt vµo vµ ra khái buång ®èt mét
c¸ch liªn tôc, cÊu t¹o buång ®èt ®¬n gi¶n.
- Ch¸y ®¼ng tÝch v = const. ë ®©y khi ch¸y, c¸c van cña buång ®ãt ph¶I
®ãng l¹i ®Ó thÓ tÝch hçn hîp kh«ng ®æi, nh»m thùc hiÖn qu¸ tr×nh ch¸y ®¼ng tÝch,
do ®ã s¶n phÈm ch¸y ra khái buång ®èt kh«ng liªn tôc. Muèn s¶n phÈm ch¸y vµo
vµ ra khái buång ®èt mét c¸ch liªn tôc th× cÇn cã nhiÒu buång ®èt, do ®ã cÊu t¹o
phøc t¹p vµ tæn thÊt qua c¸c van còng lín. V× vËy, trong thùc tÕ ng−êi ta th−êng
chÕ t¹o tuèc bin ch¸y ®¼ng ¸p.
7.2.2. Chu tr×nh tuèc bin khÝ cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p
Chu tr×nh tuèc bin khÝ cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p ®−îc biÓu diÔn trªn ®å thÞ p-v vµ
T-s h×nh 7.7.
1-2 lµ qu¸ tr×nh nÐn ®oan nhiÖt m«i chÊt trong buång ®èt,
2-3 lµ qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p trong buång ®èt,
3-4 lµ qu¸ tr×nh d·n në ®o¹n nhiÖt trong èng t¨ng tèc vµ trong tuèc bin,
4-1 lµ qu¸ tr×nh nh¶ nhiÖt ®¼ng ¸p (th¶i s¶n phÈm ch¸y),
* C¸c ®¹i l−îng ®Æc tr−ng cña chu tr×nh gåm:
78
- Tû sè nÐn:
p2
β= (7-12)
p1
- HÖ sè d·n në sím trong qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt:
v3
ρ= (7-13)
v2
- HiÖu suÊt cña chu tr×nh:
q1 − q 2
η ct = (7-14)
q1
Trong ®ã:
q1 lµ nhiÖt l−îng sinh ra trong qu¸ tr×nh ch¸y ®¼ng ¸p, q1 = q23 = Cp(T2 -
T2’),
q2 lµ nhiÖt l−îng th¶i ra m«i tr−êng trong qu¸ tr×nh 41, q2 = Cp(T4 - T1),
Tõ ®ã ta cã hiÖu suÊt cña chu tr×nh lµ:
(T4 − T1 )
η ct = 1 −
(T 3 − T2 )
H×nh 7.7. §å thÞ p-v vµ T-s cña chu tr×nh tuèc bin khÝ cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p
T−¬ng tù nh− ®èi víi chu tr×nh ®éng c¬ ®èt trong, thay c¸c gi¸ trÞ vµo ta ®−îc:
1
η ct = 1 − k −1
(7-15)
β k
Ta thÊy hiÖu suÊt nhiÖt cña chu tr×nh tuèc bin khÝ cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p phô
thuéc vµo β vµ k. Khi t¨ng β vµ k th× hiÖu suÊt nhiÖt cña chu tr×nh sÏ t¨ng vµ
ng−îc l¹i.
7.3. Chu tr×nh ®éng c¬ ph¶n lùc
§èi víi ®éng c¬ ®èt trong, muèn cã c«ng suÊt lín th× kÝch th−íc vµ trong
l−îng rÊt lín, do ®ã kh«ng thÓ sö dông trong kü thuËt hµng kh«ng ®−îc. §éng c¬
ph¶n lùc cã thÓ ®¹t ®−îc c«ng suÊt vµ tèc ®é lín mµ kÝch th−íc vµ träng l−îng
thiÕt bÞ l¹i nhá, do ®ã ®−îc sö dông rÊt nhiÒu trong kü thuËt hµng kh«ng, trong
c¸c tªn löa vò trô.
79
Nguyªn lý cña ®éng c¬ ph¶n lùc lµ: nhiªn liÖu ®−îc ®èt ch¸y, nhiÖt n¨ng
biÕn thµnh ®éng n¨ng cña dßng khÝ, phun qua èng phun ra ngoµi víi vËn tèc lín,
t¹o ra ph¶n lùc m¹nh ®Èy thiÕt bÞ chuyÓn ®éng vÒ phÝa tr−íc.
§éng c¬ ph¶n lùc ®−îc chia thµnh hai lo¹i: ®éng c¬ m¸y bay vµ ®éng c¬
tªn löa.
§éng c¬ m¸y bay vµ ®éng c¬ tªn löa chØ kh¸c nhau ë chç: Oxy cÊp cho
m¸y bay lÊy tõ kh«ng khÝ xung quanh, cßn ë ®éng c¬ tªn löa oxy ®−îc chøa s½n
d−íi d¹ng láng ngay trong ®éng c¬, v× vËy tªn löa cã tèc ®é lín h¬n vµ cã thÓ bay
trong ch©n kh«ng.
7.3.1. §éng c¬ m¸y bay
ViÖc t¨ng ¸p suÊt kh«ng khÝ trong ®éng c¬ m¸y bay cã thÓ nhê èng t¨ng
¸p, cã thÓ nhê m¸y nÐn. HiÖn nay m¸y bay ®−îc chÕ t¹o theo kiÓu t¨ng ¸p mét
phÇn nhê èng t¨ng ¸p, nh−ng phÇn chñ yÕu lµ nhê m¸y nÐn, do ®ã d−íi ®©y ta chØ
kh¶o s¸t lo¹i nµy.
H×nh 7.8. S¬ ®å cÊu t¹o ®éng c¬ H×nh 7.9. §å thÞ p-v chu tr×nh
m¸y bay cã m¸y nÐn ®éng c¬ m¸y bay cã m¸y nÐn
S¬ ®å cÊu t¹o cña ®éng c¬ m¸y bay cã m¸y nÐn ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh
7.8. CÊu t¹o cña ®éng c¬ gåm c¸c bé phËn chÝnh nh− sau: èng t¨ng ¸p 1, m¸y nÐn
2, vßi phun nhiªn liÖu 3, tuèc bin khÝ 4, èng t¨ng tèc 5 vµ buång ®èt 6.
Chu tr×nh cña ®éng c¬ m¸y bay ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 7.9, gåm c¸c qu¸
tr×nh:
1-2 lµ qu¸ tr×nh nÐn ®oan nhiÖt kh«ng khÝ trong èng t¨ng ¸p,
2-3 lµ qu¸ tr×nh nÐn ®oan nhiÖt kh«ng khÝ trong m¸y nÐn,
3-4 lµ qu¸ tr×nh ch¸y ®¼ng ¸p hçn hîp Kh«ng khÝ-nhiªn liÖu trong buång
®èt, cÊp cho chu tr×nh mét l−îng nhiÖt q1,
4-5 lµ qu¸ tr×nh s¶n phÈm ch¸y d·n në ®o¹n nhiÖt trong tuèc bin khÝ, sinh
c«ng ®Ó ch¹y m¸y nÐn,
5-6 lµ qu¸ tr×nh d·n në ®o¹n nhiÖt s¶n phÈm ch¸y trong èng t¨ng tèc,
6-1 lµ qu¸ tr×nh th¶i s¶n phÈm ch¸y ®¼ng ¸p, nh¶ ra m«i tr−êng l−îng nhiÖt
q2.
80
Chu tr×nh cña ®éng c¬ m¸y bay cã m¸y nÐn ch¸y ®¼ng ¸p hoµn toµn gièng
nh− chu tr×nh tuèc bin khÝ cÊp nhiÖt ®¼ng ¸p. HiÖu suÊt cña chu tr×nh ®−îc x¸c
®Þnh theo (7-15):
(T4 − T1 ) 1
η ct = 1 − =1−
(T
3 − T2 ) β
k −1
k
(7-16)
Ta thÊy hiÖu suÊt nhiÖt ηct t¨ng khi β t¨ng (β lµ tû sè t¨ng ¸p trong qu¸
tr×nh nÐn 1-2 c¶ trong èng t¨ng tèc lÉn trong m¸y nÐn). Râ rµng lµ tû sè β ë ®©y
lín h¬n β ë chu tr×nh ®éng c¬ m¸y bay kh«ng cã m¸y nÐn, ®éng c¬ nµy cã hiÖu
suÊt so víi c¸c ®éngc¬ kh«ng cã m¸y nÐn.
7.3.2. §éng c¬ tªn löa
S¬ ®å cÊu t¹o cña ®éng c¬ tªn löa ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 7.10. CÊu t¹o cña
®éng c¬ gåm c¸c bé phËn chÝnh nh− sau: B×nh chøa nhiªn liÖu A, B×nh chøa oxy
láng B, b¬m nhiªn liÖu C, bop−m oxy láng D, buång ®èt E vµ èng t¨ng tèc F.
Chu tr×nh cña ®éng c¬ m¸y bay ®−îc biÓu diÔn trªn ®å thÞ p-v h×nh 7.11,
gåm c¸c qu¸ tr×nh:
H×nh 7.10. S¬ ®å cÊu t¹o H×nh 7.11. §å thÞ p-v chu tr×nh
®éng c¬ tªn löa ®éng c¬ tªn löa
1-2 lµ qu¸ tr×nh nÐn ®oan nhiÖt nhiªn liÖu vµ oxy trong b¬m (v× chÊt láng
kh«ng chÞu nÐn nªn cã thÓ coi lµ qu¸ tr×nh ®¼ng tÝch),
2-3 lµ qu¸ tr×nh ch¸y ®¼ng ¸p hçn hîp Kh«ng khÝ-nhiªn liÖu trong buång
®èt, cÊp cho chu tr×nh mét l−îng nhiÖt q1,
3-4 lµ qu¸ tr×nh d·n në ®o¹n nhiÖt s¶n phÈm ch¸y trong èng t¨ng tèc,
4-1 lµ qu¸ tr×nh th¶i s¶n phÈm ch¸y ®¼ng ¸p ra m«i tr−êng, nh¶ l−îng nhiÖt
q2.
HiÖu suÊt cña chu tr×nh ®−îc x¸c ®Þnh:
l
η ct = (7-17)
q1
ë ®©y c«ng kü thuËt cña qu¸ tr×nh d·n në ®o¹n nhiÖt 3-4 (bá qua c«ng
b¬m trong qu¸ tr×nh 1-2).
81
7.4. chu tr×nh nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn
7.4.1. Chu tr×nh Carno h¬i n−íc
ë ch−¬ng 2 ta ®· biÕt chu tr×nh Carno thuËn chiÒu lµ chu tr×nh cã hiÖu suÊt
nhiÖt cao nhÊt. VÒ mÆt kÜ thuËt, dïng khÝ thùc trong ph¹m vi b·o hßa cã thÓ thùc
hiÖn ®−îc chu tr×nh Carno vµ vÉn ®¹t ®−îc hiÖu suÊt nhiÖt lín nhÊt khi ë cïng
ph¹m vi nhiÖt ®é. Chu tr×nh Carno ¸p dông cho khÝ thùc trong vïng h¬i b·o hßa
®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 7.12. Tuy nhiªn, ®èi víi khÝ thùc vµ h¬i n−íc th× viÖc
thùc hiÖn chu tr×nh Carno rÊt khã kh¨n, v× nh÷ng lý do sau ®©y:
- Qu¸ tr×nh h¬i nh¶ nhiÖt ®¼ng ¸p,
ng−ng tô thµnh n−íc (qu¸ tr×nh 2-3) sÏ
thùc hiÖn kh«ng hoµn toµn. Muèn nÐn
®o¹n nhiÖt h¬i Èm theo qóa tr×nh 3-4, cÇn
ph¶i cã m¸y nÐn kÝch th−íc rÊt lín vµ
tiªu hao c«ng rÊt lín.
- NhiÖt ®é tíi h¹n cña n−íc thÊp
(374,15 0C) nªn ®é chªnh nhiÖt ®é gi÷a
nguån nãng vµ nguån l¹nh cña chu tr×nh
kh«ng lín l¾m, do ®ã c«ng cña chu tr×nh
nhá.
H×nh 7.12. chu tr×nh Carno h¬i n−íc
- C¸c giät Èm cña h¬i sÏ va ®Ëp vµo c¸nh tuèc bin g©y tæn thÊt n¨ng l−îng
vµ ¨n mßn vµ mµimßn nhanh c¸nh Tuèc bin.
7.4.2. Chu tr×nh Renkin (chu tr×nh nhµ m¸y ®iÖn)
Nh− ®· ph©n tÝch ë trªn, tuy cã hiÖu suÊt nhiÖt cao nh−ng chu tr×nh Carno
cã mét sè nh−îc ®iÓm khi ¸p dông cho khÝ thùc, nªn trong thùc tÕ ng−êi ta kh«ng
¸p dông chu tr×nh nµy mµ ¸p dông mét chu tr×nh c¶i tiÕn gÇn víi chu tr×nh nµy gäi
lµ chu tr×nh Renkin. Chu tr×nh Renkin lµ chu tr×nh thuËn chiÒu, biÕn nhiÖt thµnh
c«ng.
T P1
5
1
4
P2
3
2’ 2
0 s
H×nh 7.13. S¬ ®å thiÕt bÞ nhµ m¸y ®iÖn H×nh 7.14. §å thÞ T-s cña chu tr×nh
NMN§
Chu tr×nh Renkin lµ chu tr×nh nhiÖt ®−îc ¸p dông trong tÊt c¶ c¸c läai nhµ
m¸y nhiÖt ®iÖn, m«i chÊt lµ n−íc. TÊt c¶ c¸c thiÕt bÞ cña c¸c nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn
82
®Òu gièng nhau trõ thiÕt bÞ sinh h¬i I. Trong thiÕt bÞ sinh h¬i, n−íc nhËn nhiÖt ®Ó
biÕn thµnh h¬i
§èi víi nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn thiÕt bÞ sinh h¬i lµ lß h¬i, trong ®ã n−íc nhËn
nhiÖt tõ qu¸ tr×nh ®èt ch¸y nhiªn liÖu. §èi víi nhµ m¸y ®iÖn mÆt trêi hoÆc ®Þa
nhiÖt, n−íc nhËn nhiÖt tõ n¨ng l−îng mÆt trêi hoÆc tõ nhiÖt n¨ng trong lßng ®Êt.
§èi víi nhµ m¸y ®iÖn nguyªn tö, thiÕt bÞ sinh h¬i lµ thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt, trong
®ã n−íc nhËn nhiÖt tõ chÊt t¶i nhiÖt trong lß ph¶n øng h¹t nh©n ra.
S¬ ®å thiÕt bÞ cña chu tr×nh Renkin ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 7.13. §å thÞ T-s
cña chu tr×nh ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 7.14.
N−íc ng−ng trong b×nh ng−ng IV (ë tr¹ng th¸i 2’ trªn ®å thÞ) cã th«ng sè p2,
t2,, i2, ®−îc b¬m V b¬m vµo thiÕt bÞ sinh h¬i I víi ¸p suÊt p1 (qu¸ tr×nh 2’-3).
Trong thiÕt bÞ sinh h¬i, n−íc trong c¸c èng sinh h¬i nhËn nhiÖt ®¼ng ¸p ®Õn s«i
(qu¸ tr×nh 3-4), ho¸ h¬i (qu¸ tr×nh 4-5) vµ thµnh h¬i qu¸ nhiÖt trong bé qu¸ nhiÖt
II (qu¸ tr×nh 5-1). Qu¸ tr×nh 3-4-5-1 lµ qu¸ tr×nh hãa h¬i ®¼ng ¸p ë ¸p suÊt p1 =
const. H¬i ra khái bé qu¸ nhiÖt II (ë tr¹ng th¸i 1) cã th«ng sè p1, t1 ®i vµo tuèc bin
III, ë ®©y h¬i d·n në ®o¹n nhiÖt ®Õn tr¹ng th¸i 2 (qu¸ tr×nh 1-2) vµ sinh c«ng
trong tuèc bin. H¬i ra khái tuèc bin cã th«ng sè p2, t2, ®i vµo b×nh ng−ng IV,
ng−ng tô thµnh n−íc (qu¸ tr×nh 2-2’), råi l¹i ®−îc b¬m V b¬m trë vÒ lß. Qu¸ tr×nh
nÐn ®o¹n nhiÖt trong b¬m cã thÓ xem lµ qu¸ tr×nh nÐn ®¼ng tÝch v× n−íc kh«ng
chÞu nÐn (thÓ tÝch Ýt thay ®æi).
7.4.2.2. HiÖu suÊt nhiÖt cña chu tr×nh Renkin
HiÖu suÊt nhiÖt cña chu tr×nh ηt ®−îc tÝnh theo c«ng thøc:
q1 − q 2 l
η ct = = (7-18)
q1 q1
NhiÖt l−îng nhËn ®−îc trong trong lß h¬i theo qu¸ tr×nh ®¼ng ¸p 3-1 lµ:
q1 = i1 – i3
NhiÖt l−îng m«i chÊt nh¶ ra cho n−íc lµm m¸t ë b×nh ng−ng trong qu¸
tr×nh ®¼ng ¸p 2-2’ lµ:
q2= i2– i2’
Th«ng th−êng, ë ¸p suÊt kh«ng cao l¾m, c«ng tiªu tèn cho b¬m n−íc cÊp
rÊt bÐ so víi c«ng Tuèc bin sinh ra nªn ta cã thÓ bá qua c«ng b¬m, nghÜa lµ coi
i2’ ≈ i3. Khi ®ã c«ng cña chu tr×nh sÏ b»ng:
l = q1 - ⎢q2 ⎢ = i1 - i3 - i2- i2’ ≈ i1 - i2 (7-19)
HiÖu suÊt nhiÖt chu tr×nh sÏ b»ng:
l i1 − i 2
η ct = = (7-20)
q 1 i1 − i 3
7.4.2.3. C¸c biÖn ph¸p n©ng cao hiÖu suÊt cña chu tr×nh
HiÖu suÊt nhiÖt cña chu tr×nh Renkin còng cã thÓ biÓu thÞ b»ng hiÖu suÊt
chu tr×nh Carno t−¬ng ®−¬ng:
83
T2
max η t = η tcarno = 1 − (7-20)
T1
Tõ (7-20) ta thÊy: hiÖu suÊt nhiÖt cña chu tr×nh khi gi¶m nhiÖt ®é trung b×nh
T2tb cña qu¸ tr×nh nh¶ nhiÖt trong b×nh ng−ng hoÆc t¨ng nhiÖt ®é trung b×nh T1tb
cña qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt trong lß h¬i.
* Gi¶m nhiÖt ®é trung b×nh cña qu¸ tr×nh nh¶ nhiÖt T2tb
H×nh 10.7 biÓu diÔn chu tr×nh Renkin cã ¸p suÊt cuèi gi¶m tõ p2 xuèng p2o ,
khi nhiÖt ®é ®Çu t1 vµ ¸p suÊt ®Çu P1 kh«ng thay ®æi.
Khi gi¶m ¸p suÊt ng−ng tô p2 cña h¬i trong b×nh ng−ng, th× nhiÖt ®é b·o hßa
ts còng gi¶m theo, do ®ã nhiÖt ®é trung b×nh T2tb cña qu¸ tr×nh nh¶ nhiÖt gi¶m
xuèng. Theo (10-29) th× hiÖu su©t nhiÖt ηt cña chu tr×nh t¨ng lªn.
Tuy nhiªn, nhiÖt ®é ts bÞ giíi h¹n bëi 1
T
nhiÖt ®é nguån l¹nh (nhiÖt ®é n−íc lµm
m¸t trong b×nh ng−ng), do ®ã ¸p suÊt cuèi
5
cña chu tr×nh còng kh«ng thÓ xuèng 4
qu¸ thÊp, th−êng tõ 2Kpa ®Õn 5Kpa tïy
theo ®iÒu kiÖn khÝ hËu tõng vïng. MÆt 3
30 2
kh¸c, khi gi¶m ¸p suÊt p2 xuèng th× ®é 2’
Èm cña h¬i ë c¸c tÇng cuèi tuèc bin 20 x=1
x=0
còng gi¶m xuèng, sÏ lµm gi¶m hiÖu suÊt 0
vµ tuæi thä Tuèc bin, do ®ã còng lµm s
gi¶m hiÖu suÊt chung cña toµn nhµ m¸y. H×nh 10.15. ¶nh h−ëng cña ¸p suÊt cuèi
* N©ng cao nhiÖt ®é trung b×nh cña qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt T1tb
§Ó n©ng nhiÖt ®é trung b×nh cña qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt T1tb, cã thÓ t¨ng ¸p
suÊt ®Çu p1 hoÆc nhiÖt ®é ®Çu t1.
T
10 T 10 1
1
5 40 50
4 4
5
3 3
2’ x= 1 2’ x=1
2 20 20 2
x=0 x=0
0 0
s s
H×nh 7.16. ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®Çu H×nh 7.17. ¶nh h−ëng cña ¸p suÊt ®Çu
84
- H×nh 7.16. biÓu diÔn chu tr×nh Renkin cã nhiÖt ®é h¬i qu¸ nhiÖt t¨ng tõ t1
lªn t10 khi ¸p suÊt h¬i qu¸ nhiÖt p1 vµ ¸p suÊt cuèi p2 kh«ng ®æi. Khi ®ã nhiÖt ®é
trung b×nh T1tb cña qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt 3451 t¨ng lªn, do ®ã theo (7-21) th× hiÖu
suÊt nhiÖt ηt cña chu tr×nh t¨ng lªn.
- H×nh 7.17. biÓu diÔn chu tr×nh Renkin cã ¸p suÊt ®Çu t¨ng tõ p1 ®Õn p10,
khi nhiÖt ®é h¬i qu¸ nhiÖt t1 vµ ¸p suÊt cuèi p2 kh«ng thay ®æi.
NÕu gi÷ nguyªn nhiÖt ®é h¬i qu¸ nhiÖt t1 vµ ¸p suÊt cuèi p2, t¨ng ¸p suÊt p1
th× nhiÖt ®é s«i cña qu¸ tr×nh 4-5 t¨ng, do ®ã nhiÖt ®é trung b×nh T1tb cña qu¸
tr×nh cÊp nhiÖt 3451 còng t¨ng lªn trong khi T2tb gi÷ nguyªn, dÉn ®Õn hiÖu suÊt
nhiÖt ηt cña chu tr×nh t¨ng lªn.
Tuy nhiªn khi t¨ng ¸p suÊt p1 th× ®é kh« cña h¬i c¸c tÇng cuèi tuèc bin sÏ
gi¶m, lµ gi¶m hiÖu suÊt vµ tuæi thä tuèc bin.
Khi t¨ng nhiÖt ®é ®Çu th× ®é Èm gi¶m, nh−ng t¨ng ¸p suÊt ®Çu th× ®é Èm
t¨ng. Do ®ã trªn thùc tÕ ng−êi ta th−êng t¨ng ®ång thêi c¶ ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é ®Çu
®Ó t¨ng hiÖu suÊt chu tr×nh mµ ®é Èm kh«ng t¨ng, nªn hiÖu suÊt cña chu tr×nh
Renkin thùc tÕ sÏ t¨ng lªn.
ChÝnh v× vËy, øng víi mét gi¸ trÞ ¸p suÊt ®Çu ng−êi ta sÏ chän nhiÖt ®é ®Çu
t−¬ng øng, hai th«ng sè nµy gäi lµ th«ng sè kÕt ®«i.
7.4.3. Chu tr×nh trÝch h¬i gia nhiÖt n−íc cÊp
Mét biÖn ph¸p kh¸c ®Ó n©ng cao 1k
hiÖu suÊt chu tr×nh Renkin lµ trÝch mét g
phÇn h¬i tõ tu«c bin ®Ó gia nhiÖt h©m
n−íc cÊp. S¬ ®å thiÕt bÞ chu tr×nh gia II
nhiÖt h©m n−íc cÊp ®−îc biÓu diÔn trªn II
I
h×nh 7.18. Chu tr×nh nµy kh¸c chu tr×nh
g1
Renkin ë chç: Cho 1kg h¬i ®i vµo tuèc I g
bin, sau khi d·n në trong phÇn ®Çu cña g2
Tuèc bin tõ ¸p suÊt p1 ®Õn ¸p suÊt pt,
ng−êi ta trÝch mét l−îng h¬i g1 vµ g2 ®Ó
gia nhiÖt n−íc cÊp, do ®ã l−îng h¬i ®i VI
IV
qua phÇn sau cña tuèc bin vµo b×nh I
ng−ng sÏ gi¶m xuèng chØ cßn lµ gk: V V V
II
gk = 1 - g1 - g2 (7-22) I
L−îng nhiÖt nh¶ ra trong b×nh H×nh 7.18. chu tr×nh gia nhiÖt
ng−ng còng gi¶m xuèng chØ cßn: h©m n−íc cÊp
q2 = (i2 - i2’)(1 - g1 - g2) < (i2 - i2’)
hn
(7-23)
HiÖu suÊt chu tr×nh cã trÝch h¬i h©m nãng n−íc cÊp lµ:
hn
q1 − q 2 l
η =
tr
ct = (7-24)
q1 q1
85
hn
q2 q2
η = 1−
tr
ct > η ct = 1 − (7-25)
q1 q1
L−îng h¬i vµo b×nh ng−ng gi¶m, nghÜa lµ l−îng nhiÖt q2 mµ h¬i nh¶ ra cho
n−íc lµm m¸t trong b×nh ng−ng còng gi¶m. Tõ (7-25) râ rµng ta thÊy hiÖu suÊt
nhiÖt chu tr×nh cã trÝch h¬i gia nhiÖt h©m n−íc cÊp t¨ng lªn.
7.4.4. Nhµ m¸y ®iÖn dïng chu tr×nh hçn hîp Tuèc bin khÝ - h¬i
Chu tr×nh hçn hîp lµ mét chu tr×nh ghÐp, gåm chu tr×nh Renkin h¬i n−íc
vµ chu tr×nh Tuèc bin khÝ. S¬ ®å thiÕt bÞ vµ ®å thÞ T-s cña chu tr×nh ®−îc thÓ hiÖn
trªn h×nh 7.19. HÖ thèng thiÕt bÞ bao gåm: thiÕt bÞ sinh h¬i 1 (buång ®èt); tuèc
bin h¬i n−íc 2; b×nh ng−ng h¬i 3; b¬m n−íc cÊp 4; bé h©m n−íc 5; tuèc bin khÝ
6; m¸y nÐn kh«ng khÝ 7.
H×nh 7.20. S¬ ®å thiÕt bÞ vµ ®å thÞ T-s cña chu tr×nh hçn hîp
Nguyªn lÝ lµm viÖc cña chu tr×nh thiÕt bÞ nh− sau: Kh«ng khÝ ®−îc nÐn
®o¹n nhiÖt trong m¸y nÐn 7 ®Õn ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cao, ®−îc ®−a vµo buång ®èt
1 cïng víi nhiªn liÖu vµ ch¸y trong buång ®èt d−íi ¸p suÊt cao, kh«ng ®æi. Sau
khi nh¶ mét phÇn nhiÖt cho n−íc trong dµn èng cña buång ®èt 1, s¶n phÈm ch¸y
®i vµo tuèc bin khÝ 6, d·n në sinh c«ng. Ra khái tuèc bin khÝ, s¶n phÈm ch¸y cã
nhiÖt ®é cßn cao, tiÕp tôc ®i qua bé h©m n−íc 5, gia nhiÖt cho n−íc råi th¶i ra
ngoµi.
N−íc ®−îc b¬m 4 b¬m qua bé h©m n−íc 5, vµo dµn èng cña buång ®èt 1.
ë ®©y n−íc nhËn nhiÖt vµ biÕn thµnh h¬i qu¸ nhiÖt. H¬i qu¸ nhiÖt ®i vµo tuèc bin
h¬i 2, d·n në ®o¹n nhiÖt vµ sinh c«ng. Ra khái tuèc bin, h¬i ®i vµo b×nh ng−ng 3
nh¶ nhiÖt ®¼ng ¸p, ng−ng tô thµnh n−íc råi ®−îc b¬m 4 b¬m trë vÒ lß, lÆp l¹i chu
tr×nh cò.
§å thÞ T-s cña chu tr×nh nhiÖt ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 7.20. NhiÖt l−îng
do nhiªn liÖu ch¸y táa ra trong qu¸ tr×nh b-e chia thµnh hai phÇn: mét phÇn dïng
®Ó s¶n xuÊt h¬i n−íc trong thiÕt bÞ sinh h¬i 1, mét phÇn cÊp cho tuèc bin khÝ 6.
- a-b: qu¸ tr×nh nÐn ®o¹n nhiÖt kh«ng khÝ trong m¸y nÐn khÝ 7;
86
- b-c: qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt (ch¸y) ®¼ng ¸p trong buång ®èt 1;
- c-d: qu¸ tr×nh d·n në ®o¹n nhiÖt sinh c«ng trong tuèc bin khÝ 6;
- d-a: qu¸ tr×nh nh¶ nhiÖt ®¼ng ¸p trong bé h©m n−íc 5;
- 3-1’-1”-1: qu¸ tr×nh n−íc nhËn nhiÖt ®¼ng ¸p trong bé h©m 5 vµ buång ®èt
1;
- 1-2; 2-2’; 2’-3 lµ c¸c qu¸ tr×nh d·n në ®o¹n nhiÖt trong tuèc bin, ng−ng
®¼ng ¸p trong b×nh ng−ng, nÐn ®o¹n nhiÖt trong b¬m nh− ë chu tr×nh Renkin.
HiÖu suÊt chu tr×nh lµ:
l
ηct = (7-28)
q1
Trong ®ã:
l: C«ng cña tuèc bin h¬i vµ tuèc bin khÝ, l = lh + lk
q1: nhiÖt l−îng nhiªn liÖu táa ra khi ch¸y trong buång ®èt 1.
7.5. chu tr×nh thiÕt bÞ l¹nh ch¹y b»ng Amoniac, Frªon
Chu tr×nh thiÕt bÞ l¹nh ch¹y lµ chu tr×nh ng−îc chiÒu, nhËn nhiÖt tõ nguån
cã nhiÖt ®é thÊp, nh¶ nhiÖt chonguån cã nhiÖt ®é cao. M«i chÊt sö dông trong c¸c
lµm thiÕt bÞ l¹nh thùc tÕ th−êng lµ h¬i cña mét sè chÊt láng cã nhiÖt ®é s«i thÊpë
¸p suÊt b×nh th−êng, hÖ sè to¶ nhiÖt lín, rÎ tiÒn, kh«ng ®éc h¹i. Tuú theo ph−¬ng
ph¸p t¨ng ¸p suÊt cña m«i chÊt ta chia ra hai lo¹i: chu tr×nh thiÕt bÞ l¹nh cã m¸y
nÐn vµ chu tr×nh thiÕt bÞ l¹nh hÊp thô (kh«ng cã m¸y nÐn).
7.5.1. Chu tr×nh thiÕt bÞ l¹nh cã m¸y nÐn
M«i chÊt th−êng dïng trong m¸y l¹nh cã m¸y nÐn lµ Amoniac (NH3) hay
Frªon F12, F22 (cã c«ng thøc: CmHxFyClz). Am«nian th−êng dïng trong m¸y l¹nh
c«ng nghiÖp ®Ó s¶n xuÊt n−íc ®¸ hoÆc lµm l¹nh thùc phÈm, v× nhiÖt Èn ho¸ h¬i
lín nªn cã thÓ chÕ t¹o víi c«ng suÊt lín. Frªon th−êng dïng trong m¸y l¹nh gia
®×nh nh− tñ kem, tñ l¹nh gia ®×nh v× kh«ng ®ßi hái c«ng suÊt lín, kh«ng mïi vµ
kh«ng ®éc h¹i.
S¬ ®å nguyªn lý cña m¸y l¹nh cã m¸y nÐn ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 7-20.
H¬i m«i chÊt ë tr¹ng th¸i b¶o hoµ kh« tõ buång l¹nh IV cã ¸p suÊt p1 ®−îc m¸y
nÐn hót vµo vµ nÐn ®o¹n nhiÖt ®Õn ¸p suÊt p2, nhiÖt ®é t2. Sau ®ã ®i vµo b×nh
ng−ng II ng−ng tô ®¼ng ¸p ë ¸p suÊt p2, nh¶ l−îng nhiÖt q1 cho kh«ng khÝ hay
n−íc lµm m¸t. Láng ng−ng tô tõ dµn ng−ng II ®i qua van tiÕt l−u III, gi¶m ¸p suÊt
tõ p2 xuèng p1 vµ chuyÓn tõ d¹ng láng sang d¹ng h¬i Èm. H¬i Èm tiÕp tôc ®i vµo
buång l¹nh IV nhËn nhiÖt l−¬ng q2 cña vËt cÇn lµm l¹nh ë ¸p suÊt p1 = const biÕn
thµnh h¬ib·o hoµ kh« vµ chu tr×nh lÆp l¹i nh− cò.
C¸c qu¸ tr×nh cña m¸y l¹nh dïng h¬i cã m¸y nÐn ®−îc biÓu thÞ trªn ®å thÞ
h×nh 7-21.
1-2 lµ qu¸ tr×nh nÐn ®o¹n nhiÖt trong m¸y nÐn, ¸p suÊt t¨ng tõ p1 ®Õn p2,
2-3 lµ qu¸ tr×nh ng−ng tô ®¼ng ¸p ë ¸p suÊt p2 = const, nh¶ l−îng nhiÖt q1
cho kh«ng khÝ hay n−íc lµm m¸t,
3-4 lµ qu¸ tr×nh tiÕt l−u trong van tiÕt l−u, ¸p suÊt gi¶m tõ p2 xuèng p1,
87
4-1 lµ qu¸ tr×nh bèc h¬i ë dµn bèc h¬i trong buång l¹nh, m«i chÊt nhiÖt
l−îng q2 ë ¸p suÊt p1 = const.
HÖ sè lµm l¹nh:
q q2 i1 − i 4
ε= 2 = = ,
l q 1 − q 2 (i 2 − i 4 ) − (i 1 − i 5 )
v× trong qu¸ tr×nhtiÕt l−u i4 = i3, do ®ã:
i −i
ε= 1 4 (7-26)
(i 2 − i1 )
N¨ng suÊt cña m¸y l¹nh:
Q0 = G.q2,
C«ng suÊt cña m¸y nÐn:
N = G.⎢l⎢,
ë ®©y: G lµ l−u l−îng m«i chÊt trong chu tr×nh, kg/s.
7.5.2. B¬m nhiÖt
B¬m nhiÖt cßn ®−îc gäi lµ m¸y ®iÒu hoµ hai chiÒu. B¬m nhiÖt cã thÓ lµm
l¹nh, hót Èm vµ còng cã thÓ s−ëi Êm, hiÖn ®−îc dïng kh¸ phæ biÕn ë miÒn B¾c
n−íc ta. Khi dïng víi chøc n¨ng s−ëi Êm, b¬m nhiÖt sÏ tiÕt kiÖm ®−îc ®iÖn n¨ng
rÊt nhiÒu so víi dïng lß s−ëi ®iÖn trë.
Nguyªn lý lµm viÖc cña b¬m nhiÖt nh− sau: M«i chÊt ë tr¹ng th¸i b¶o hoµ
kh« tõ buång l¹nh IV ®−îc m¸y nÐn hót vµo vµ nÐn ®o¹n nhiÖt tõ ¸p suÊt p1 ®Õn
¸p suÊt p2, nhiÖt ®é t2. Sau ®ã ®i vµo dµn ng−ng II ng−ng tô ®¼ng ¸p ë ¸p suÊt p2,
nh¶ l−îng nhiÖt q1 biÕn thµng láng. Láng tõ dµn ng−ng II ®i qua van tiÕt l−u III,
gi¶m ¸p suÊt tõ p2 xuèng p1 vµ chuyÓn tõ d¹ng láng sang d¹ng h¬i Èm, råi vµo dµn
bay h¬i ®Ó nhËn nhiÖt l−¬ng q2 . NÕu sö dông n¨ng l−îng h÷u Ých tõ dµn bay h¬i
(dµn l¹nh, ®−îc bè trÝ trong phßng) th× m¸y lµm viÖc theo chÕ ®é lµm l¹nh; NÕu
sö dông n¨ng l−îng h÷u Ých tõ dµn ng−ng (dµn nãng, ®−îc bè trÝ trong phßng) th×
m¸y lµm viÖc theo chÕ ®é s−ëi Êm (b¬m nhiÖt). Trong thùc tÕ c¸c dµn ®−îc bè trÝ
cè ®Þnh, chØ cÇn ®æi chiÒu chuyÓn ®éng cu¶ dßng m«i chÊt nhê van ®æi chiÒu.
S¬ ®å nguyªn lý cña b¬m nhiÖt ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 7-22. ChØ cÇn thay
®æi vai trß ®ãng, më cña c¸c van, thiÕt bÞ cã thÓ lµm l¹nh hoÆc s−ëi Êm. ThiÕt bÞ
88
chÝnh gåm m¸y nÐn C, hai dµn trao ®æi nhiÖt A vµ B, hai dµn nµy thay nhau lµm
dµn l¹nh (dµn bèc h¬i) hoÆc dµn nãng (dµn ng−ng tô); van tiÕt l−u D vµ c¸c van
®ãng më tõ 1-8 ®Ó thay ®æi chøc n¨ng lµm viÖc cña m¸y. M«i chÊt cã thÓ lµ Frªon
hoÆc Am«niac. §Ó xÐt nguyªn lý vËn hµnh cña thiÕt bÞ, ta coi dµn A ®Æt trong
phßng.
* M¸y lµm viÖc víi chøc
n¨ng s−ëi Êm:
Më c¸c van 2, 4, 6, 8 vµ
®ãng c¸c van 1, 3, 5, 7, m«i chÊt
tõ m¸y nÐn C ®i theo chiÒu
C4A6D8B2C. M«i chÊt ®−îc m¸y
nÐn hót vµo vµ nÐn ®Õn ¸p suÊt vµ
nhiÖt ®é cao, qua van 4 vµo dµn
ng−ng A, nh¶ l−îng nhiÖt cho
kh«ng khÝ trong phßng. B¶n th©n
m«i chÊt mÊt nhiÖt, sÏ ng−ng tô, ®i
qua van 6 vµ van tiÕt l−u D, biÕn
thµnh h¬i b¶o hoµ Èm ë nhiÖt ®é
vµ ¸p suÊt thÊp, qua van 8 vµo dµn
bay h¬i B ®Ó nhËn nhiÖt tõ m«i
tr−êng xung quanh, bèc h¬i vµ
®−îc hut vÒ m¸y nÐn, hoµn chØnh
mét chu tr×nh ng−îc chiÒu.
* M¸y lµm viÖc víi chøc n¨ng lµm m¸t:
§ãng c¸c van 2, 4, 6, 8 vµ më c¸c van 1, 3, 5, 7, m«i chÊt tõ m¸y nÐn C ®i
theo chiÒu C1B7D5A3C. M«i chÊt ®−îc m¸y nÐn hót vµo vµ nÐn ®Õn ¸p suÊt vµ
nhiÖt ®é cao, qua van 1 vµo dµn ng−ng B, nh¶ l−îng nhiÖt cho m«i tr−êng xung
quanh. B¶n th©n m«i chÊt mÊt nhiÖt, sÏ ng−ng tô, ®i qua van 7 vµ van tiÕt l−u D,
biÕn thµnh h¬i b¶o hoµ Èm ë nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt thÊp, qua van 5 vµo dµn bay h¬i
A ®Ó nhËn nhiÖt tõ kh«ng khÝ trong phßng, lµm cho nhiÖt ®ä trong phßng gi¶m
xuèng, m«i chÊt bèc h¬i vµ ®−îc hut vÒ m¸y nÐn, hoµn chØnh mét chu tr×nh ng−îc
chiÒu ®Ó lµm m¸t phßng.
89
