Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Phần 2)

Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 48 Chương III CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MÔI CHẤT Bài 1 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN – ĐOẠN NHIỆT - ĐẲNG NHIỆT - ĐẲNG ÁP - ĐẲNG TÍCH- QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 1. Các quá trình đẳng nhiệt cơ bản: Thực tế có thể xảy ra rất nhiều quá trình nhiệt động khác nhau, quá trình tổng quát nhất là quá trình đa biến trong đó có các quá trình nhiệt động đặc biệt của môi chất như: Quá trình đoạn nhiệt, quá trình đẳng nhiệt, quá trình đẳng áp, và quá trình đẳng tích. Được dùng để nghiên cứu về nguyên lý hoạt động của các loại máy nhiệt. Đồng thời để có đủ kỹ năng nhận biết về cấu tạo và hoạt động của các loại động cơ nhiệt sử dụng trên ô tô hiện nay. 2. Quá trình đoạn nhiệt. 2.1. Khái niệm: Quá trình đoạn nhiệt là một quá trình riêng (đặc biệt) của quá trình đa biến. Khi quá trình xảy ra không có quá trình trao đổi nhiệt giữa hệ (môi chất) và môi trường. q = 0 và dq = 0 Nhiệt dung riêng của quá trình 0 dT dq Ck từ công thức: vn pn CC CC n    và 1   n kn CC vn  n = k 2.2. Phương trình của quá trình đoạn nhiệt: Pvk = const k- Là chỉ số đoạn nhiệt (số mũ đoạn nhiệt). P- Áp suất riêng của môi chất. v- Thể tích riêng của môi chất. k = V P C C Phương trình quan hệ giữa các thông số trạng thái: k V V P P        2 1 1 2 và k P P V V 1 2 1 1 2        Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 49 1 2 1 1 1 2 1 2                k k k V V p p T T Công thay đổi thể tích được xác định:  2112 1 TT k R L                        k k p p k Vp L 1 1 211 12 1 1                  1 2 111 12 1 1 k V V k Vp L Công kỹ thuật: Lkt12 = kl12 2.3. Đường biểu diễn của quá trình đoạn nhiệt: Đường biểu diễn của quá trình đoạn nhiệt (P-v) là một đường cong hypecbôn rất dốc. Trên đồ thị T-s là một đường thẳng đứng. Hình 3.1: Đồ thị P-v và đồ thị T-s của quá trình đoạn nhiệt 3. Quá trình đẳng nhiệt. 3.1. Khái niệm: Quá trình đẳng nhiệt là một quá trình riêng (đặc biệt) của quá trình đa biến. Khi quá trình xảy ra không có sự thay đổi nhiệt độ của môi chất. T = const Nhiệt dung riêng của quá trình:  dT dq CT từ vn pn CC CC n    hoặc 1   n kn CC vn khi thay Cn= CT = ± ∞ ta suy ra số mũ đa biến của quá trình đẳng nhiệt n = 1. CT = G V = ± Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 50 3.2. Phương trình của quá trình đẳng nhiệt: Pv = const P- Áp suất riêng của môi chất. v- Thể tích riêng của môi chất. Phương trình trạng thái (quan hệ giữa áp suất riêng và thể tích riêng) 2 1 1 2 V V P P  Công thay đổi thể tích: ta có thể dễ dàng tìm công từ định nghĩa.   2 1 2 1 2 1 1 12 V V V V V V V dv RTdv V RT dvpL L12 = P dv V RT Pdv V V V V 12 1 2 1   2 1 1 2 12 lnln p p RT V V RTL  Công kỹ thuật của quá trình: Lkt12 = l12 Nhiệt tham gia của quá trình: q = Lkt12 = l12 3.3. Đường biểu diễn của quá trình đẳng nhiệt: Đường biểu diễn của quá trình đẳng nhiệt là một đường cong hy pecbon cân trên đồ thị P-v và trên đồ thị T-s là một đường thẳng nằm ngang. Hình 3.2: Đồ thị P-v và đồ thị T-s của quá trình đẳng nhiệt 4. Quá trình đẳng áp: 4.1. Khái niệm: Quá trình đẳng áp là một quá trình riêng (đặc biệt) của quá trình đa biến. Khi quá trình xảy ra áp suất của môi chất không đổi. P = const 4.2. Phương trình của quá trình đẳng áp: P = const Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 51 CP – Là nhiệt dung riêng của quá trình. P – Là áp suất riêng của môi chất Phương trình trạng thái (quan hệ giữa nhiệt độ và thể tích riêng). 2 1 1 2 V V T T  T- Là nhiệt độ tuyệt đối của môi chất (0K). v- Là thể tích riêng của môi chất. Công thay đổi thể tích: L12 = P )( 12 2 1 vvPdvpV V  Công kỹ thuật của quá trình: Lkt12 = - )( 21 2 1 ppvvdpP P  Nhiệt tham gia của quá trình: Q = ∆i = GCP(t2 – t1) Biến thiên entrôpi của quá trình được xác định từ phương trình 1 2lg T T Cs n Khi Cn = Cp 1 2 1 2 12 lnln V V C T T CSSs pp  4.3. Đường biểu diễn của quá trình đẳng áp: Đường biểu diễn của quá trình đẳng áp (P-v) là một đường thẳng nằm ngang và đồ thị (T-s) là đường cong lôgarit (hình 1.4). Hình 3.3: Đồ thị p-v và T-s của quá trình đẳng áp 5. Quá trình đẳng tích. 5.1. Khái niệm: Quá trình đẳng tích là một quá trình riêng (đặc biệt) của quá trình đa biến. Khi quá trình xảy ra mà thể tích của môi chất không thay đổi. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 52 Từ công thức vn pn CC CC n    khi Cn = Cv ta suy ra có mũ đa biến của quá trình đẳng tích n = ± ∞. Từ phương trình pvn = const ta có phương trình của quá trình. V = const 5.2. Phương trình của quá trình đẳng tích: V = const CV - Nhiệt dung riêng của quá trình. V - Thể tích riêng của môi chất. Phương trình quan hệ giữa các thông số trạng thái của quá trình. Từ phương trình trạng thái ta có: P1V1 = RT1 P2V2 = RT2  R = 2 22 1 11 T VP T VP  Vì V1 = V2  2 1 2 1 P P T T  Công thay đổi thể tích: l12 = 0)( 12 2 1  VVPdvpp V V Vì: V = const Công kỹ thuật của quá trình: lkt12 = -   2 1 )( 21 P P PPVVdP Nhiệt tham gia vào quá trình: Q = ∆n = GCV(T2 – T1) Biến thiên entrôpi của quá trình được xác định từ phương trình 1 2lg T T Cs n khi Cn = Cv. 5.3. Đường biểu diễn của quá trình đẳng tích: Đường biểu diễn của quá trình đẳng tích trên đồ thị (P-v) là một đường thẳng đứng và trên đồ thị (T-s) là một đường cong lôgarit (hình 1.5). Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 53 Hình 3.4: Đồ thị P-v và đồ thị T-s của quá trình đẳng tích 6. Quá trình đa biến. 6.1. Khái niệm: Quá trình đa biến là quá trình xảy ra chỉ với một ràng buộc duy nhất là nhiệt dung riêng của quá trình không đổi: Cn = const. Trong quá trình, các thông số trạng thái đều có thể thay đổi và hệ có thể trao đổi công và nhiệt với môi trường. 6.2. Phương trình của quá trình đa biến. Trong quá trình đa biến, các thông số trạng thái đều có thể thay đổi và hệ có thể trao đổi công và nhiệt với môi trường. Từ cách tính nhiệt theo nhiệt dung riêng để tìm ra phương trình của quá trình đa biến: ta có dq = CndT và từ các phươngtrình định luật nhiệt động I của hệ kín và hệ hở đối với khí lý tưởng dq = CvdT + pdv và dq = CpdT – vdp chúng ta có: dq = CpdT – vdp = CndT dq = CvdT + pdv = CndT Từđó ta có thể viết: (Cn – Cp)dT = -vdp (Cn – Cv)dT = pdv Sau khi chia hai vế của hai phương trình trên cho nhau ta được: pdv vdp CC CC vn pn     Khi ký hiệu: vn pn CC CC n    Vì Cn; Cv; Cp đều là các hằng số nên n = const và ta có: dl dl pdv vdp n kl   npdv + vdp = 0 0 p dp v dv n Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 54 Lấy tích phân phương trình trên ta có: lnvn + lnp = const cuối cùng ta được phương trình của quá trình đa biến: pvn = const n: là chỉ số đa biến (số mũ đa biến) p : là áp suất riêng của môi chất v : là thể tích riêng của môi chất Từ đây ta suy ra giữa áp suất và thể tích riêng: n V V p p        2 1 1 2 và n p p V V 1 2 1 1 2        Để tìm quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng, ta suy ra được phương trình trạng thái đầu và cuối của quá trình đa biến: p1v1 = RT1 và p2v2 = RT2 T- Nhiệt độ tuyệt đối của môi chất R- Hằng số chất khí (J/kg0K) Quan hệ giữa các thông số trạng thái n V V P P        2 1 1 2 và n P P V V 1 2 1 1 2        1 2 1 1 1 2 1 2                n n n V V p p T T Hình 3.5: Đồ thị P-v và đồ thị T-s của quá trình đa biến Công thay đổi thể tích: L12 = )( 1 12 TT n R   Công kỹ thuật: Từ công thức: dl dl pdv vdp n kl    Lkt12 = nl12 Nhiệt dung riêng của quá trình: Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 55 Cn = Cv 1  n kn Nhiệt tham gia: Q = Gq = GCn (T2 – T1) Tóm lại: quá trình đa biến là quá trình tổng quát với số mũ đa biến n = - ∞ ÷ +∞ trong đó các quá trình nhiệt động cơ bản còn lại chỉ là trường hợp riêng của nó. Chúng ta thấy biểu hiện trên đồ thị (hình 1.1). Khi n = 0 là quá trình đẳng áp với nhiệt dung riêng Cp, phương trình của quá trình: p = const. Khi n = 1là quá trình đẳng nhiệt với nhiệt dung riêng CT = ± ∞, phương trình của quátrình: pv = const. Khi n = k là quá trình đoạn nhiệt với nhiệt dung riêng Ck = 0, phương trình của quá trình: pvk = const. Khi n = ± ∞ là quá trình đẳng tích với nhiệt dung riêng Cv, phương trình của quá trình: v = const. Quá trình đa biến AB bất kỳ với n = - ∞ ÷ + ∞ trên đồ thị p-v và T-s được biểu diễn trên (hình 3.5). Để xétdấu công thay đổi thể tích, nhiệt độ, biến đổi nội năng trong quá trình ta làm như sau: Khi thể tích tăng, công mang dấu dương và ngược lại. Thì lAB > 0 khi quá trình xảy ra nằm bên phải đường đẳng tích và ngược lại. Khi entrôpi tăng, nhiệt của quá trình sẽ có dấu dương và ngược lại.Thì qAB > 0 khi quá trình xảy ra nằm về phía bên phải đường đoạn nhiệt và ngược lại. Khi nhiệt độ tăng, biến đổi nội năng sẽ mang dấu dương và ngược lại. Thì ∆UAB > 0 khi quá trình nằm phía trên đường đẳng nhiệt và ngược lại. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Trình bày khái niệm và viết phương trình và vẽ đồ thị của quá trình đa biến? 2. Trình bày khái niệm và viết phương trình và vẽ đồ thị của quá trình đoạn nhiệt? 3. Trình bày khái niệm và viết phương trình và vẽ đồ thị của quá trình đẳng nhiệt? 4. Trình bày khái niệm và viết phương trình và vẽ đồ thị của quá trình đẳng áp? 5. Trình bày khái niệm và viết phương trình và vẽ đồ thị của quá trình đẳng tích? Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 56 Bài 2 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ THỰC 1. Xác định biến đổi entanpi, nội năng và entrôpi. Các quá trình nhiệt động cơ bản (giả thiết là thuận nghịch) xảy ra với khí thực (hơi nước, hơi môi chất lạnh) gồm các quá trình: đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt và đoạn nhiệt. Tính toán các quá trình nhiệt động có nghĩa là phải xác định các thông số trạng thái đầu và cuối của quá trình, xác định công, lượng nhiệt, sự thay đổi nội năng, sự thay đổi entanpi và entrôpi. Việc tính toán này ta sẽ dùng các bảng và đồ thị (đồ thị i-s, lgp-i,) và phương trình định luật nhiệt động I đúng cho khí thực. Trạng thái đầu của quá trình được xác định bằng hai thông số đã cho, trạng thái cuối của quá trình được xác định bằng một thông số đã cho của trạng thái cuối và đặc tính của quá trình nhơ đẳng tích, đẳng áp Trong các quá trình nhiệt động cơ bản kể trên. Biến đổi entanpi, nội năng và entrôpi được xác định như sau: ∆i = i2 – i1 ∆u = u2 – u1 = i2 – p2v2 – (i1 – p1v1) ∆s = s2 – s1 Chúng ta cần lưu ý rằng đối với quá trình đẳng nhiệt của khí thực ∆u ≠ 0, ∆i ≠ 0 chứ không phải là bằng 0 như đối với khí lý tưởng. Đối với khí thực, các quá trình xảy ra bao giờ cũng là các quá trình không thuận nghịch (ví dụ như hiện tượng ma sát thì luôn phát sinh nhiệt). Nhưng ở đây ta giả thiết các quá trình này là thuận nghịch (không kể đến nhiệt ma sát) nên quá trình đoạn nhiệt thuận Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 57 nghịch của khí thực sẽ có 0 T dq ds hay ∆s = 0; s = const. Quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch ở đây còn được gọi là quá trình đẳng entrôpi. 2. Quá trình đẳng tích. Hình 3.6: Đồ thị i-s quá trình đẳng tích của hơi nước Hình 3.7: Đồ thị i-s quá trình đẳng áp của hơi nước Trên hình 3.6 biểu diễn quá trình đẳng tích của hơi nước trên đồ thị i-s. Ở trạng thái đầu được xác định (điểm 1), Ví dụ khi biết độ khô x1. Trạng thái cuối được xác định (điểm 2), ví dụ khi biết nhiệt độ t2 và đặc tính của quá trình v2 = v1. Công thay đổi thể tích và công kỹ thuật của quá trình sẽ là: 0 2 1 12   dvpl V V  21 2 1 12 ppvdpvl p p kt   Nhiệt của quá trình: q = ∆u + l12 = ∆u = u2 – u1 3. Quá trình đẳng áp Trên hình 3.7 biểu diễn quá trình đẳng áp của hơi nước trên đồ thị i-s. Trạng thái đầu được xác định, ví dụ khi biết độ khô x1 và áp suất p1. Trạng thái cuối được xác định, ví dụ khi biết nhiệt độ t2 và đặc tính của quá trình p2 = p1. Công thay đổi thể tích và công kỹ thuật của quá trình sẽ là:  1212 2 1 vvpdvpl V V   0 2 1 12   dpvl p p kt Nhiệt của quá trình: q = ∆i + lkt12 = ∆i = i2 – i1 Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 58 4. Quá trình đẳng nhiệt. Hình 3.8: Đồ thị i-s quá trình đẳng nhiệt của hơi nước Hình 3.9: Đồ thị i-s quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch của hơi nước (Hình 3.8) biểu diễn quá trình đẳng nhiệt của hơi nước trên đồ thị i-s. Ở đây trạng thái đầu được xác định, ví dụ biết độ khô x1 và nhiệt độ t1. Trạng thái cuối được xác định khi biết p2 và đặc tính của quá trình t2 = t1. Nhiệt của quá trình:  12 2 1 ssTdsTq S S   Công của quá trình suy ra từ định luật nhiệt động I: q = ∆u + l2 l12 = q - ∆u q = ∆i + lkt12 lkt12 = q - ∆i 5. Quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch. Trên (hình 3.9) biểu diễn quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch (đẳng entrôpi). Trạng thái đầu được xác định,ví dụ biết p1, t1. Trạng thái cuối được xác định, ví dụ biết p2 và đặc tính của quá trình s2 = s1. Nhiệt của quá trình: q = T∆s = 0 Công của quá trình suy ra từ định luật nhiệt động I: q = ∆u + l12 = 0 l12 = - ∆u = u1 – u2 q = ∆i + lkt12 = 0 lkt12 = - ∆i = i1 – i2 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Trình bày cách xác định biến đổi entanpi, nội năng và entrôpi? 2. Vẽ đồ thị và viết phương trình của quá trình đẳng tích? 3. Vẽ đồ thị và viết phương trình của quá trình đẳng áp? Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 59 4. Vẽ đồ thị và viết phương trình của quá trình đẳng nhiệt? 5. Vẽ đồ thị và viết phương trình của quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch? Bài 3 QUÁ TRÌNH HỖN HỢP CỦA KHÍ VÀ HƠI 1. Hỗn hợp khí lý tưởng. Trong thực tế ta thường gặp hỗn hợp của nhiều khí đơn, ví dụ không khí là hỗn hợp của khí nitơ, ôxy và nhiều khí khác nữa. Dưới đây ta chỉ xét hỗn hợp của khí lý tưởng. 1.1. Những tính chất của hỗn hợp khí lý tưởng. Hỗn hợp khí là hỗn hợp cơ học của các khí thành phần khi không xảy ra phản ứng hóa học. Vì ở trạng thái cân bằng, các khí thành phần trong hỗn hợp phân tán đều trong toàn bộ thể tích bình chứa khí. Chúng ta suy ra hỗn hợp khí có các tính chất sau: Áp suất của khí thành phần tuân theo định luật Daltơn: pp n i i  1 Ở đây: pi là áp suất của khí thành phần gọi là phân áp suất P là áp suất của hỗn hợp Nhiệt độ của khí thành phần Ti bằng nhiệt độ của hỗn hợp T: Ti = T Thể tích của khí thành phần Vfi trong hỗn hợp bằng thể tích của hỗn hợp V: Vfi = V Phân thể tích Vi được định nghĩa là thể tích của khí thành phần khi tách riêng chúng ra khỏi hỗn hợp nhưng vẫn giữ nhiệt độ bằng nhiệt độ hỗn hợp (Ti = T) và tăng áp suất của khí thành phần đến giá trị bằng áp suất hỗn hợp (pi = p). Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 60 Khối lượng của hỗn hợp G bằng tổng khối lượng của các khí thành phần Gi: G =  iG Vì đây là các khí lý tưởng nên chúng ta có thể sử dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng. Phương trình trạng thái đối với hỗn hợp: pV = GRT (a) Phương trình trạng thái đối với khí thành phần trong hỗn hợp có: (pi, Ti =T, Vfi = V) piV = GiRiT (b) Phương trình trạng thái của khí thành phần khi tách ra khỏi hỗn hợp và có phân thể tích Vi. (pi = p, Ti = T): pVi = GiRiT (c) Trong các phương trình trên, cácđại lượng có chỉ số ”i” là của khí thành phần, không có chỉ số là của hỗn hợp. Từ (b) và (c) ta có thể xác định được Vi: piV = pVi Vi V p pi Và: VV p p V n i i n i i    11 1.2. Các thành phần của hỗn hợp. Một trong những đặc trưng cơ bản của hỗn hợp là thành phần của nó. Thông thường hỗn hợp được xác định theo thành phần khối lượng, thành phần thể tích và thành phần kilomol. 1.2.1. Thành phần khối lượng. G G g ii  Ở đây Gi, G là khối lượng của khí thành phần và hỗn hợp. Ta có: 1 11   n i i n i i G G g 1.2.2. Thành phần thể tích. V V r ii  Ở đây Vi, V là phân thể tích và thể tích hỗn hợp. Từ VV p p V n i i n i i    11 ta có: 1 11    n i i n i i V V r Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 61 1.2.3. Thành phần kilômol M M r ii  Ở đây Mi, M là số kilômol của khí thành phần và của hỗn hợp. Vì MM i  nên ta có: 1 11    n i i n i i M M r Thành phần thể tích và thành phần kilômol có cùng ký hiệu ri vì người ta chứng minh được rằng chúng bằng nhau. 2. Xác định các đại lượng của hỗn hợp. Khi tính toán hỗn hợp khí, người ta xem hỗn hợp khí như là một chất khí tương đương và sử dụng các phương trình như đối với khí đơn. Lúc này cần phải xác định các đại lượng của hỗn hợp. 2.1. Kilômol của hỗn hợp. Kilômol của hỗn hợp được xác định theo thành phần thể tích hoặc thành phần khối lượng như sau:    n n ii iii r M M M G M G 1      i i i ii G GG G M G M G   1 1    n i i ig 1 1   2.2. Hằng số chất khí của hỗn hợp. Hằng số chất khí của hỗn hợp có thể tính như sau:  8314 R Ở đây μ được xác định theo công thức:    n n ii iii r M M M G M G 1    hoặc    n i i ig 1 1   . Hằng số chất khí còn có thể xác định theo cách khác: Từ phương trình trạng thái đối với khí thành phần (b), ta có: piV = GiRiT Hay   TRGVp iii  TRGpV ii Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 62 Khi so sánh phương trình này với phương trình trạng thái của hỗn hợp (a) ta có:  TRGGRT ii i n i i ii Rg GT TRG R    1 2.3. Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí. Ta biết rằng muốn nâng nhiệt độ của hỗn hợp lên một độ cần phải nâng nhiệt độ của từng chất khí thành phần lên một độ. Vậy nếu gọi nhiệt dung riêng khối lượng của hỗn hợp là C và của khí thành phần là Ci ta có: GC = G1C1 + G2C2 + + GnCn C = g1C1 + g2C2 + + gnCn = i n i iCg 1 Nếu quá trình cấp nhiệt là quá trình đẳng áp hoặc đẳng tích, từ phương trình: C = g1C1 + g2C2 + + gnCn = i n i iCg 1 Ta có thể viết: ip n i ip CgC    1 iV n i iV CgC    1 Suy luận tương tự ta có các biểu thức: , 1 , i n i iCrC    i n i iCrC     1 2.4. Xác định phân áp suất của khí thành phần. Phân áp suất của khí thành phần trong hỗn hợp được xác định từ quan hệ phương trình Vi V p pi ta có: prp V V p i i i  3. Quá trình hỗn hợp của chất khí. Ở trên ta đã nghiên cứu các tính chất của một hỗn hợp khí đã cho.Ở đây ta nghiên cứu cách tạo ra hỗn hợp đó, ví dụ khi ta nối các đường ỗng dẫn khói vào một ống dẫn khói chung, khi hòa trộn dòng khí lạnh vào dòng khí nóng Khi đó ta cần xác định các thông số trạng thái của các khí thành phần tạo ra chúng. Có ba cách tạo ra hỗn hợp: hỗn hợp trong thể tích đã cho, hỗn hợp theo dòng và hỗn hợp khi nạp vào thể tích cố định. Ở đây nghiên cứu quá trình hỗn hợp của khí (khí lý tưởng, khí thực) khi các khí không thực hiện công ngoài đối với môi trường (ln = 0) và không trao đổi nhiệt đối với môi trường (Q = 0) gọi là hỗn hợp đoạn nhiệt, khi đó phương trình định luật nhiệt động I cho các quá trình hỗn hợp (ΔW =0 hay W1 =W2) có dạng: Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 63 W1 = W2 = const (a) Ở đây W1, W2 – năng lượng toàn phần của hệ trước và sau khi thực hiện quá trình hỗn hợp. Sau đây ta sẽ lần lượt nghiên cứu cách tạo ra hỗn hợp kể trên. 3.1. Hỗn hợp trong thể tích đã cho. Giả sử cho một bình kín với thể tích V bên trong có một vách ngăn N (hình 3.10). Phía trái vách ngăn chứa chất khí 1 có V1, T1, p1; bên trái vách ngăn chứa chất khí 2 có V2, T2, p2. Khi ta bỏ vách ngăn, hai chất khí sẽ hỗn hợp với nhau. Ở đây cần xác định nhiệt độ T, áp suất p của hỗn hợp khi đã biết thể tích của hỗn hợp . Ta có: V= V1 + V2 và G = G1 + G2 Hệ nhiệt động trước khi xảy ra hỗn hợp gồm chất khí 1, chất khí 2 trong bình là hệ kín, năng lượng toàn phần trong hệ kín là nội năng và ta có: W1 = U1 + U2 (b) Hệ nhiệt động sau khi xảy ra hỗn hợp là hỗn hợp khí trong bình (cũng là hệ kín), vậy năng lượng toàn phần của hệ sau hốn hợp là: W2 = U (c) Hình 3.10: Hỗn hợp trong thể tích đã cho Theo (a) ta có: U = U1 + U2 Đối với khí lý tưởng, nếu quy ước nội năng của khí ở 0oK = 0, nội năng nhiệt độ Ti nào đó sẽ là: Ui = CviTi. Vậy từ (U = U1 + U2) ta có: GCvT = G1Cv1T1 + G2Cv2T2 V VV C TCgTCg T 222111   Theo ( iV n i iV CgC    1 )  Cv = ΣgiCvi nên ta có: 2211 222111 VV VV CgCg TCgTCg T    Hoặc tổng quát với n khí thành phần: 2211 1 VV n i iVii CgCg TCg T     Áp suất của hỗn hợp có thể xác định theo phương trình trạng thái: pV = GRT. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 64 3.2. Hỗn hợp theo dòng. Hỗn hợp theo dòng được tạo thành khi ta nối ống dẫn các dòng khí vào một ống chung (hình 3.11). Ở đây thông thường đã biết áp suất hỗn hợp p, ta cần xác định nhiệt độ T và lưu lượng thể tích V của hỗn hợp. Hình 3.11: Hỗn hợp theo dòng Hình 3.12: Đồ thị i-s của hơi nước Hệ nhiệt động trước khi xảy ra hỗn hợp (gồm dòng khí 1 và 2) là hệ hở, năng lượng toàn phần của hệ hở (khi bỏ qua động năng và thế năng) được biểu thị bằng entanpi, lúc này ta có W1= I1 + I2. Hệ nhiệt động sau khi xảy ra quá trình hỗn hợp là dòng khí hỗn hợp (hệ hở), năng lượng toàn phần cũng được biểu thị bằng entanpi, nên ta có W2 = I. Từ phương trình định luật nhiệt động I cho hỗn hợp (a), ta có: I = I1 + I2 Gi = G1i1 + G2i2 I = g1i1 + g2i2 i    n i iiig 1 Đối với khí lý tưởng khi quy ước entanpi ở 0oK bằng không, từ i    n i iiig 1 ta có:  ipiip TCgTC Theo công phương trình ip n i ip CgC    1 ta có:     n i pii n i ipii Cg TCg T 1 1 Lưu lượng thể tích V của hỗn hợp khí lý tưởng được xác định theo phương trình trạng thái: pV = GRT Với khí thực, Ví dụ đối với hơi nước, ta có thể giải bài toán bằng việc sử dụng đồ thị i-s (hình 3.12). Ở đây dòng hơi A, B được xác định bằng điểm A (cho pa, ta) và điểm B (cho pb, tb). Khi đó người ta đã chứng minh được rằng, nếu quá trình hỗn hợp là quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch,thì trạng thái sau hỗn hợp (điểm C) phải nằm trên đường hỗn hợp AB và được chia theo tỷ lệ nghịch với g1, g2. 1 2 g g BC AC  Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 65 Điều này có nghĩa: 12 2 gg g BCAC AC    ; 2g BC AC  Nếu lấy đoạn AB bằng 1 đơn vị thì AC = g2. Tương tự như vậy ta có BC = g1 khi xác định được điểm C biểu thị trạng thái của hỗn hợp, ta dễ dàng từ đồ thị i-s tìm được áp suất và các thông số trạng thái khác của hỗn hợp: ic, sc, pc, Tc, vc 3.3. Hỗn hợp khi nạp vào thể tích cố định. Giả sử ta có một bình thể tích V, trong chứa một chất khí khối lượng G1, áp suất p1, nhiệt độ T1 (hình 3.13). Bây giờ qua đường ống dẫn ta nạp thêm vào bình dòng khí có khối lượng Gi, áp suất pi, nhiệt độ Ti. Ta cần xác định nhiệt độ T, áp suất p của hỗn hợp. Hình 3.13: Hỗn hợp khi nạp vào thể tích cố định Ta thấy trước khi xảy ra quá trình hỗn hợp hệ gồm khối khí có trong bình (năng lượng toàn phần U1) và dòng khí nạp thêm vào (năng lượng toàn phần Ii). Vậy năng lượng toàn phần của hệ trước khi hỗn hợp:W1 = U1 + Ii. Sau khi xảy ra quá trình hỗn hợp, hỗn hợp khí trong bình có năng lượng toàn phầnW2 = U. Theo phương trình định luật nhiệt động I cho quá trình hỗn hợp (a) ta có: U = U1 + Ii Gu = G1u1 + Giii Tổng quát, khi nạp vào bình từ 2 đến n +1 dòng khí ta có: i n i iigugu     1 2 11 Đối với khí lý tưởng khi quy ước nội năng và entanpi ở 0oK = 0. Từ i n i iigugu     1 2 11  ta có:  ipiiVV TCgTCgTC 111 Hay:        n i Vii n i ipiiV Cg TCgTCg T 1 1 1 111 Từ đó ta có thể tính được áp suất p của hỗn hợp theo phương trình trạng thái. pV = GRT CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Hãy trình bày tính chất của hỗn hợp khí lý tưởng? 2. Hãy nêu các thành phần của hỗn hợp của khí lý tưởng? 3. Nêu cách xác định các đại lượng của hỗn hợp khí lý tưởng? 4. Nêu cách xác định phân áp suất của khí thành phần? 5. Trình bày các quá trình hỗn hợp của chất khí? Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 66 Chương IV CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT Bài 1 KHÁI NIỆM – YÊU CẦU – PHÂN LOẠI CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 1. Khái quát chung Các chu trình nhiệt động của chất khí và chất lỏng được sử dụng rất nhiều trong kỹ thuật và đời sống hiện nay như: chu trình động cơ đốt trong, chu trình động cơ tuabin khí, chu trình động cơ phản lực và chu trình của máy lạnh hoặc bơm nhiệt. Vì vậy chu trình nhiệt của động cơ nhiệt được dùng để nghiên cứu trong cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại động cơ. Đồng thời để có đủ kỹ năng nhận dạng về cấu tạo và hoạt động của các loại động cơ sử dụng trên ô tô hiện nay. 2. Khái niệm cơ bản. Trong các chu trình nhiệt, muốn biến nhiệt thành công thì cần có môi chất để làm chất tải nhiệt và cho môi chất giãn nở để sinh công. Muốn được công liên tục môi chất phải giãn nở liên tục. Nhưng môi chất không thể giãn nở mãi vì kích thước máy có hạn. Vì vậy muốn nhận được công liên tục sau khi giãn nở phải nén môi chất để trở về trạng thái ban đầu rồi tiếp tục giãn nở, nén lần thứ hai...quá trình được lặp đi lặp lại như vậy. Khi môi chất thay đổi trạng thái một cách liên tục rồi lại trở về trạng thái ban đầu, ta nói môi chất thực hiện một chu trình hay một quá trình kín. Chu trình tiến hành theo chiều kim đồng hồ (trên các đồ thị trạng thái) gọi là chu trình thuận chiều. Chu trình này biến nhiệt thành công (hình 1.1), công sinh ra có dấu dương (lo > 0) và đường cong giãn nởtrên đồ thị p-v (đường 234) nằm trên đường cong nén (412). Máy nhiệt làm việc theo chu trình này gọi là động cơ nhiệt. Chu trình làm việc theo chiều ngược chiều kim đồng hồ gọi là chu trình ngược chiều (hình 1.2). chu trình này tiêu tốn công hoặc năng lượng, công đưa vào mang dấu âm (lo < 0) và đường cong nén (412) nằm trên đường cong giãn nở (234). Máy nhiệt làm việc theo chu trình này gọi là máy lạnh và bơm nhiệt. Chu trình gồm những quá trình thuận nghịch gọi là chu trình thuận nghịch. Nếu trong chu trình chỉ cần có một quá trình không thuận nghịch, chu trình đó sẽ là chu trình không thuận nghịch. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 67 Hình 4.1: Chu trình thuận chiều (động cơ nhiệt) Hình 4.2: Chu trình ngược chiều (máy lạnh và bơm nhiệt) Công của chu trình: Công của chu trình là công của môi chất tác dụng tới môi trường hoặc ngược lại môi trường tác dụng tới môi chất khi môi chất tiến hành một chu trình. Công của chu trình được ký hiệu L0 (J) hoặc l0 (J/kg). Ta biết rằng: d(pv) = pdv + vdp và chu trình là một quá trình khép kín nên ta có: d(pv) = pdv + vdp. Vì tích số (pv) là một hàm trạng thái nên: d(pv) = 0 và pdv = li; vdp = -lkt1 Ta có thể viết: 0 = li - lkti    n i kti n i i ll 11 li, lkti là công thay đổi thể tích, công kỹ thuật của quá trình thứ i trong n quá trình của chu trình. Công của chu trình là công thay đổi thể tích của môi chất khi thực hiện chu trình: l0 =   n i il 1 Khi ta kết hợp biểu thức    n i kti n i i ll 11 và l0 =   n i il 1 công của chu trình được xác định bằng biểu thức: l0 =    n i kti n i i ll 11 Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 68 Biểu thức này cho thấy công của chu trình được tính bằng tổng công thay đổi thể tích hoặc bằng tổng công kỹ thuật của tát cả các quá trình trong chu trình. Trên (hình 4.1) biểu diễn chu trình động cơ nhiệt (tuabin khí) 12341, ở đây công của chu trình khi tính theo công thay đổi thể tích: l0 = l12 + l23 + l34 + l41 l0 = l23 + l34 – (l21 + l14) l0 = F(a234b) – F(a214b); F là diện tích hình a234b và a214b. Hoặc khi tính theo công kỹ thuật: l0 = lkt12 + lkt23 + lkt34 + lkt41 l0 = lkt34 – lkt21 Vì: lkt23 = 0 và lkt = 0 l0 = F(c34d) – F(c21d) Trên (hình 4.2) biểu diễn chu trình máy lạnh (không khí) hoàn toàn tương tự như trên ta cũng chứng minh được rằng, công của chu trình có thể tính theo biểu thức: l0 =    n i kti n i i ll 11 Công của chu trình còn được tính theo nhiệt, từ phương trình định luật nhiệt I, ta có: dq = du + pdv Với chu trình: dq = du + pdv Vì nội năng ở đây là hàm trạng thái, pdv = 0, dq = qi tổng đại số nhiệt lượng của quá trình trong chu trình. Ta có: l0 =   n i iq 1 Với chu trình động cơ nhiệt, tổng lượng nhiệt cấp vào của các quá trình trong chu trình là q1 (nhiệt nhận của nguồn nóng), ở đây q1>0, tổng lượng nhiệt nhả ra của các quá trình trong chu trình là q2 (nhả cho nguồn lạnh), nên q2<0. Từ biểu thức: l0 =   n i iq 1 công của chu trình động cơ nhiệt l0 = q1 - q2 Đối với chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt, tổng nhiệt lượng nhả ra của các quá trình trong chu trình là q1 (nhả nhiệt cho nguồn nóng), ở đây q1<0. Tổng lượng nhiệt nhận của các quá trình trong chu trình là q2 (nhiệt nhận từ nguồn lạnh) nên q2>0. Từ biểu thức: Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 69 l0 =   n i iq 1 Công của chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt là: l0 = q2 - q1 Vậy: l0 q2 Ta có thể viết: l0 = q1 - q2 Trên đồ thị T-s, công của chu trình được biểu diễn bằng diện tíchhình bao bọc bởi các đường biểu diễn quá trình trong chu trình. 3. Phân loại: Các chu trình nhiệt động dùng để biến nhiệt thành công hoặc biến công thành nhiệt đều được sử dụng rộng rãi và được phân làm hai loại: chu trình thuận chiều và chu trình ngược chiều. 3.1. Chu trình thuận chiều: Là chu trình tiến hành theo chiều kim đồng hồ (trên đồ thị trạng thái p-v hình 4.1) chu trình này biến nhiệt năng thành công và được sử dụng trong động cơ nhiệt. Chu trình chất khí bao gồm: chu trình động cơ đốt trong, chu trình tuabin khí, chu trình động cơ phản lực. Đây là chu trình của động cơ nhiệt trong đó thực hiện quá trình biến đổi nhiệt thành công. Môi chất đầu tiên là nhiên liệu và không khí sau đó là sản phẩm cháy. Đó là quá trình thực hiện đốt cháy nhiên liệu và quá trình thải sản phẩm cháy ra môi trường. Để nghiên cứu ta đưa ra các giả thiết sau: Coi môi chất là khí lý tưởng và đồng nhất. Các quá trình xảy ra đều là thuận nghịch, coi quá trình nén và giãn nở là quá trình thuận nghịch. Quá trình cháy thay bằng quá trình cấp nhiệt, quá trình thải sản phẩm cháy thay bằng quá trình thải nhiệt (đối với chu trình động cơ đốt trong là quá trình thải nhiệt đẳng tích, đối với tuabin khí và động cơ phản lực là quá trình thải nhiệt đẳng áp). Coi quá trình nạp và thải triệt tiêu nhau về công và biến hệ hở ở đây thành hệ kín (chu trình). 3.1.1. Chu trình động cơ đốt trong. a. Khái niệm: Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 70 Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt mà quá trình cháy được tiến hành bên trong xilanh động cơ 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 rộng rãi trong sản xuất và trong sinh hoạt như động cơ ô tô, máy kéo, xe lửa, máy bơm nước, máy phun thuốc, máy gặt.... b. Phân loại: Có nhiều cách phân loại động cơ đốt trong: Theo nhiên liệu sử dụng: nhiên liệu lỏng, nhiên liệu khí Theo hành trình của piston: động cơ 4 kỳ (piston thực hiện 4 hành trình mới được một chu trình), động cơ 2 kỳ (piston thực hiện 2 hành trình mới được một chu trình). Theo quá trình cấp nhiệt (quá trình cháy): chu trình cấp nhiệt đẳng tích, chu trình cấp nhiệt đẳng áp, chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Theo cách đốt nhiên liệu: Động cơ cháy cưỡng bức: Hoà trộn nhiên liệu giữa xăng và không khí được thực hiện bên ngoài xilanh, cháy nhiên liệu nhờ tia lửa điện. Đây chính là động cơ xăng và quá trình cháy đẳng tích. Động cơ tự cháy: Hoà trộn hỗn hợp giữa nhiên liệu diezen với không khí được thực hiện bên trong xilanh. Theo quan điểm nhiệt động dựa vào chu trình cấp nhiệt ta phân động cơ đốt trong thành 3 loại: Chu trình cấp nhiệt đẳng áp Chu trình cấp nhiệt đẳng tích Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp Để nghiên cứu các quá trình của động cơ đốt trong ta giả thiết: Môi chất là khí lý tưởng và đồng nhất Các quá trình xảy ra đều là thuận nghịch Các quá trình cháy là quá trình cấp nhiệt, quá trình thải sản phẩm cháy là quá trình nhả nhiệt. Công trong quá trình nạp môi chất và quá trình thải sản phẩm cháy triệt tiêu lẫn nhau và biến hệ ở đây thành hệ kín. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 71 3.1.2. Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp: Hình 4-3: Đồ thị p-v động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp Hình 4-4: Đồ thị T-s động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp Trong chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, nhiên liệu được bơm cao áp nén tới một áp suất cao sau đó phun vào trong xilanh động cơ dưới dạng sương mù gặp không khí đã được nén đến áp suất và nhiệt độ cao, nhiên liệu tự bốc cháy. Quá trình cháy gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn đầu cháy đẳng tích (2-2’), giai đoạn sau cháy đẳng áp (2’-3). Chu trình cháy lý tưởng của động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp được biểu diễn trên đồ thị p-v và đồ thị T-s: - 1-2: quá trình nén đoạn nhiệt - 2-2’: Quá trình cấp nhiệt đẳng tích, môi chất nhận nhiệt lượng q’1 - 2’-3: Quá trình cấp nhiệt đẳng áp, moi chất nhận nhiệt lượng q”1 - 3-4: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt - 4-1: Quá trình nhả nhiệt đẳng tích, nhả nhiệt lượng q2 Các đại lượng đặc trưng của chu trình: - Tỷ số nén: 2 1 V V  - Tỷ số tăng áp (trong quá trình cấp nhiệt): 2 3 P P  Với chu trình cấp nhiệt đẳng áp 1 - Tỷ số giãn nở sớm (trong quá trình cấp nhiệt): '2 3 V V  Với chu trình cấp nhiệt đẳng tích: 1 - Hiệu suất nhiệt của chu trình: Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 72 1 2 1 21 1 0 1 q q q qq q l ct    1 21 q q ct  q1 là nhiệt lượng chu trình nhận được từ quá trình cháy nhiên liệu gồm: q’1 là nhiệt lượng nhận được từ quá trình cháy đẳng tích 2-2’. q”1 là nhiệt lượng nhận được từ quá trình cháy đẳng áp 2’-3. q1 = q’1 + q”1 q2 là nhiệt lượng cho nguồn lạnh trong quá trình nhả nhiệt đẳng tích 4-1 Đối với chu trình cấp nhiệt hỗn hợp: q1 = q1v + q2p = Cv(T2’ – T2) + Cp(T2’) q1 = Cv(T2’ – T2) + kCv(T3 – T2’) q2 = q41 = Cv(T4 –T1) Hiệu suất nhiệt của chu trình hỗn hợp:      '232'2 141 TTkCTTC TTC vv v ct    Ở đây các giá trị T2 ; T2’ ; T3 ; T4 có thể tính theo T1 và  ,, như sau: - Trong quá trình đoạn nhiệt 1-2: 1 1 2 1 1 2          k k V V T T  ; 1 12  kTT  Trong quá trình đẳng tích 2-2’:  2 '2 2 '2 P P T T ;  1 12'2  kTTT Trong quá trình cháy đẳng áp 2’-3:  '2 3 '2 3 V V T T ;  1 123  kTTT Trong quá trình đoạn nhiệt 3-4: 1 11 1 2 1 4 3 3 4                k kkk V V V V T T   Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 73 k k k TTT    11 1 34    Khi thay các giá trị vừa tính vào công thức:     11 1 1 1        kk k ct Hiện nay các động cơ có thể làm việc với tỷ số nén  20÷24 - Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng áp:  1 1 1 1        kk k ctP - Đối với chu trình đẳng tích: 1 1 1   kctV   3.1.3. Chu trình cấp nhiệt đẳng tích: Hình 4-5: Đồ thị p-v động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích Hình 4-6: Đồ thị T-s động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích Ở chu trình cấp nhiệt đẳng tích, nhiên liệu (xăng) và không khí được hòa trộn đều trước ở ngoài xilanh sau đó hỗn hợp nhiên liệu và không khí được nạp vào xilanh và nén đoạn nhiệt đến áp suất và nhiệt độ cao (đoạn 1-2). Nhưng vẫn thấp hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu nên nó không thể tự bốc cháy được. Quá trình cháy xảy ra nhờ buzi bật tia lửa điện cao áp. Quá trình cháy được biểu diễn trên (đoạn 2-3) xảy ra rất nhanh làm cho áp suất trong xilanh tăng vọt lên trong khi piston chưa kịp dịch chuyển. Thể tích hỗn hợp khí trong xilanh không đổi. Vì vậy quá trình này có thể coi là quá trình cháy đẳng tích. Sau đó sản phẩm cháy giãn nở mãnh liệt đẩy piston dịch chuyển và sinh công. Quá trình giãn nở này được coi là đoạn nhiệt (đoạn 3-4). Cuối cùng là quá trình đẩy sản phẩm cháy ra ngoài (đoạn 4- 1). Đây cũng là quá trình đẳng tích. Các quá trình được lặp lại như cũ, thực hiện chu trình mới. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 74 Nếu chu trình cấp nhiệt hỗn hợp có 1 tức là 32'2 VVV  như vậy quá trình cấp nhiệt chỉ còn giai đoạn cháy đẳng tích (đoạn 2-3) khi đó chu trình cấp nhiệt hỗn hợp trở thành chu trình cấp nhiệt đẳng tích. Trong quá trình đẳng tích 2-3:  2 3 2 3 P P T T ;   11 23  kTTT Hiệu suất nhiệt của quá trình:  1 1 1 1        kk k ctP 3.1.4. Chu trình cấp nhiệt đẳng áp: Hình 4-7: Đồ thị p-v động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp Hình 4-8: Đồ thị T-s động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp Nếu chu trình cấp nhiệt hỗn hợp có 1 tức là P2’ = P2 = P3 nghĩa là quá trình cấp nhiệt chỉ còn giai đoạn cháy đẳng áp (đoạn 2-3). Khi đó chu trình cấp nhiệt hỗn hợp trở thành chu trình cấp nhiệt đẳng áp. Ở chu trình này không khí được nén đoạn nhiệt đến áp suất và nhiệt độ cao, đến cuối quá trình nén nhiên liệu được phun vào trong xilanh dưới dạng sương mù hòa trộn đều với không khí tạo nên hỗn hợp khí và tự bốc cháy. Quá trình thay đổi trạng thái của môi chất trong chu trình được biểu diễn trên đồ thị P-v và đồ thị T-s. Trong quá trình đẳng áp 2-3:  2 3 2 3 P P T T ;  1 1 23  keTTT Hiệu suất nhiệt của quá trình: 1 1 1   kctV   Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 75 3.1.5. Chu trình tuabin khí: Ưu điểm của động cơ đốt trong là có hiệu suất cao, tuy nhiên động cơ đốt trong có cấu tạo phức tạp vì phải có cơ cấu biến chuyển động thẳng của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu, nên công suất bị hạn chế. Để khắc phục các nhược điểm trên người ta dùng tuabin khí cho phép chế tạo với công suất lớn và sinh công liên tục. Thiết bị gọn nhẹ, điều khiển đơ giản, nên được sử dụng rộng rãi trong các máy kéo phát điện, trong giao thông vận tải. Dựa vào quá trình cháy của nhiên liệu có thể chia thành 2 loại: Tuabin khí cháy đẳng áp và tuabin khí cháy đẳng tích. a. Sơ đồ cấu tạo: Hình 4-9 : Sơ đồ làm việc của tuabin khí I. Máy nén; II. Bơm nhiên liệu; III. Buồng đốt; IV. Ống tăng tốc;V. Tuabin; VI. Máy phát điện b. Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp. Hình 4-10 : Đồ thị P-v và T-s chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp Chu trình được biểu diễn trên đồ thị P-v và đồ thị T-s các quá trình như sau: 1-2 là quá trình nén đoạn nhiệt môi chất trong buồng đốt. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 76 2-3 là quá trình cấp nhiệt đẳng áp trong buồng đốt, môi chất nhận nhiệt q1. 3-4 là quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong ống tăng tốc và trong tuabin. 4-1 là quá trình nhả nhiệt q2 đẳng áp (thải sản phẩm cháy). Các đại lượng đặc trưng của chu trình: Tỷ số tăng áp trong quá trình nén: 1 2 P P  Tỷ số giãn nở sớm (trong quá trình cấp nhiệt): 2 3 V V  Hiệu suất nhiệt của chu trình: 1 21 q q ct  Với:  14412 TTCqq P  q1 = q23 = CP(T3 – T2) Vậy ta có: 23 141 TT TT ct    Ở đây ta sẽ tìm T2 ; T3 ; T4 theo T1 ,  , và  . q1 là nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cháy đẳng áp. q2 là nhiệt lượng thải ra môi trường trong quá trình nhả nhiệt đẳng áp. Trong quá trình đoạn nhiệt 1-2: k kk k P P T T 1 1 1 2 1 2           ; k k TT 1 12    Trong quá trình đẳng áp 2-3 :  2 3 2 3 V V T T ;  k k TTT 1 123   Trong quá trình đoạn nhiệt 3-4: k k k k k k P P P P T T 1 1 2 1 1 3 4 3 4 1                 ;   11 3 4 T T T k k   Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 77 Sau khi ta thế các giá trị T2;T3;T4 vào công thức trên ta có: k kct 1 1 1     Hiệu suất nhiệt của chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp phụ thuộc vào  và k. khi tăng  và k, hiệu suất nhiệt sẽ tăng và ngược lại. * Quá trình cháy có thể là: + Cháy đẳng áp (P = const), ở đây môi chất vào và ra khỏi buồng đốt một cách liên tục, cấu tạo buồng đốt đơn giản. + Cháy đẳng tích (V = const), ở đây khi cháy các van của buồng đốt phải đóng kín lại để thể tích hỗn hợp không đổi nhằm thực hiện quá trình cháy đẳng tích, do đó sản phẩm cháy ra khỏi buồng đốt không liên tục. Muốn sản phẩm cháy vào và ra khỏi buồng đốt một cách liên tục thì cần phải có nhiều buồng đốt. Do đó cấu tạo phức tạp và tổn thất qua cá van cũng lớn vì vậy trong thực tế ta thường chế tạo tuabin khí cháy đẳng áp. 3.1.6. Chu trình động cơ phản lực: Đối với động cơ đốt trong muốn có công suất lớn thì kích thước và trọng lượng rất lớn, do đó không thể sử dụng trong kỹ thuật hàng không được. Động cơ phản lực có thể đạt được công suất và tốc độ lớn mà kích thước và trọng lượng thiết bị lại nhỏ, do đó được sử dụng rất nhiều trong kỹ thuật hàng không, trong các tên lửa vũ trụ. a. Phân loại: Động cơ phản lực được chia làm 2 loại: + Động cơ máy bay: - Động cơ máy bay không có máy nén - Động cơ máy bay có máy nén + Động cơ tên lửa. b. Chu trình động cơ phản lực (máy bay) có máy nén: Hình 4-11: Sơ đồ cấu tạo động cơ máy Hình 4-12 : Đồ thị P-v chu trình động Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 78 bay phản lực có máy nén cơ máy bay phản lực có máy nén Chu trình gồm có các quá trình sau: + 1-a: quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong ống tăng áp. + a-2: quá trình nén đoạn nhiệt trong máy nén. + 2-3: quá trình cấp nhiệt (cháy) đẳng áp trong buồng đốt. Nhiệt cấp cho chu trình là q1. + 3-b: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy trong tuabin khí, sinh công để chạy máy nén (diện tích 2’3bb’ bằng diện tích a’a22’). + b-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy trong ống tăng tốc. + 4-1: quá trình thải nhiệt (thải sản phẩm cháy) q2 đẳng áp cho môi trường. Hiệu suất nhiệt của chu trình: k kct 1 1 1      : là tỷ số tăng áp trong quá trình nén 1-2 (cả trong ống tăng áp lẫn trong máy nén) 1 2 P P  Muốn tăng ct phải tăng  . Tỷ số tăng áp  ở đây lớn hơn  ở trong chu trình động cơ phản lực máy bay không có máy nén. c. Chu trình động cơ phản lực tên lửa: Hình 4-13: Sơ đồ cấu tạo động cơ tên lửa Hình 4-14 : Đồ thị P-v chu trình động cơ tên lửa Động cơ tên lửa gồm các bộ phận chính sau: Bình chứa nhiên liệu lỏng A, bình chứa ô xy lỏng B, bơm nhiên liệu lỏng (vào buồng đốt) C, bơm ô xy lỏng (vào buồng đốt) D, buồng đốt (thực hiện quá trình cháy đẳng áp nhiên liệu) E, ống tăng tốc F. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 79 Chu trình động cơ tên lửa gồm các quá trình sau: + 1-2 : quá trình nén đoạn nhiệt nhiên liệu và ô xy trong bơm (vì là chất lỏng nên có thể coi là quá trình nén đẳng tích). + 2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng áp (cháy) trong buồng đốt. Nhiệt cấp cho chu trình là 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 (thải sản phẩm cháy) vào môi trường. Hiệu suất nhiệt của chu trình có thể được xác định như sau: 1 0 q l ct  Ở đây công của chu trình l0 được tính theo công kỹ thuật (bỏ qua công bơm lkt12 bằng diện tích hình a12b). 3421340 ktktkt llll  Mặt khác: 2 2  nkt ll ở đây quá trình giãn nở 3-4 không thực hiện công ngoài. (ln = 0) nên 22 2 4 2 3 2 4 34    ktl (khi bỏ qua tốc độ 3 vì rất nhỏ so với 4 ). Vì vậy ta có: 2 2 4 340   ktll Nhiệt cấp cho chu trình q1 = q23 = CP(T3 – T2). Cuối cùng ta có biểu thức hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ tên lửa: )(2 23 2 4 TTCP ct     Tốc độ của dòng sản phẩm cháy ra khỏi tên lửa 4 :          1 2 1 34 )(1 1 2 k k P P RT k k  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) 3.2. Chu trình ngược chiều (máy lạnh). Chu trình ngược chiều là chu trình của máy lạnh và bơm nhiệt, trong đó thực hiện quá trình chuyển nhiệt năng từ nguồn có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 80 cao dưới tác dụng của năng lượng bên ngoài (công hoặc nhiệt...). Trên các đồ thị trạng thái, đường biểu diễn của chu trình ngược chiều kim đồng hồ. Muốn làm lạnh một vật ta phải lấy nhiệt của vật đó ở nhiệt độ thấp để nhiệt độ của vật giảm đến nhiệt độ yêu cầu như: - Sử dụng sự giãn nở của chất khí - Sử dụng hiệu ứng tiết lưu đoạn nhiệt Joule-Thomson - Sử dụng hiệu ứng điện - nhiệt (hiệu ứng J. Peltien) - Sử dụng nhiệt chuyển pha ở nhiệt độ thấp - Sử dụng hiệu ứng xoáy 3.2.1. Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt không khí: a. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị của chu trình: Hình 4-15 : Sơ đồ nguyên lý máy lạnh và bơm nhiệt không khí Hình 4-16 : Đồ thị T-s chu trình Máy lạnh không khí I buồng làm lạnh không khí nhận nhiệt q2, II máy nén (piston, ly tâm...) hút không khí từ buồng lạnh áp suất q1 và nén, III bình làm mát nhả nhiệt q1 cho nước hoặc không khí, IV máy giãn nở (piston hoặc tuabin) thực hiện quá trình giãn nở giảm áp suất từ p2 đến p1 và nhiệt độ giảm từ T3 xuống T4. b. Các quá trình: Chu trình máy lạnh không khí trên đồ thị T-s: 1-2: quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong máy nén. 2-3: quá trình nhả nhiêt q1 đẳng áp trong bình làm mát. 3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong máy giãn nở. 4-1: quá trình nhận nhiệt q2 đẳng áp trong buồng lạnh (q2 diện tích bằng hình a41b). Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 81 Hệ số làm lạnh của chu trình: 21 2 0 2 qq q l q   (a) Ở đây )( 321 TTCq P  và q2 = CP (T1 – T4) Vậy ta có: )()( 4132 41 TTTT TT    1 1 41 32     TT TT  (b) Vì quá trình 1-2 và 3-4 đều giả thiết là đoạn nhiệt nên: 4 3 1 1 2 1 2 T T p P T T k k         Hay: 4 3 1 2 41 32 T T T T TT TT    (c) Sau khi lấy (c) thế vào (b) ta có: 1 1 1 1 4 3 1 2     T T T T  43 4 12 1 TT T TT T     Khi chu trình trên là chu trình bơm nhiệt thì hệ số bơm nhiệt: 1  Ưu điểm cơ bản của chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt không khí là dùng không khí sẵn có và không độc. Nhược điểm là do chu trình tiến hành xa chu trình carnot (vì hai quá trình nhận nhiệt và thải nhiệt ở đây là đẳng áp) nên hệ số làm lạnh ε hoặc bơm nhiệt φ đạt được nhỏ. Hơn nữa, vì phải dùng tới máy giãn nở nên kích thước thiết bị lớn. Ngày nay chỉ còn dùng nhiều trong ngành hàng không (máy bay phản lực), ở đây thuận lợi là có thể sử dụng tuabin khí và máy nén đã có sẵn trong động cơ phản lực. 3.2.2. Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt dùng hơi. Môi chất được sử dụng là hơi của một số chất lỏng, phương pháp làm lạnh là cho môi chất bốc hơi ở nhiệt độ thấp. Tùy theo phương pháp tăng áp suất của môi chất chia ra: Chu trình có máy nén, chu trình hấp thụ (không dùng máy nén mà dùng bơm). Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 82 a. Chu trình máy lạnh và bơm nhiệt có máy nén. Môi chất thường dùng là amôniac (NH3), frêon (ký hiệu R), khí CO2. Khi áp suất trong buồng lạnh p1 = 1bar, nhiệt độ sôi ts tương ứng với các môi chất như: NH3 ts = - 34 oC R12 (CCl2F2) ts = - 30 oC R22 (CHClF2) ts = - 40 oC CO2 ts = - 78 oC *. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị của chu trình: Hình 4-17 : Sơ đồ nguyên lý máy lạnh dùng hơi có máy nén Hình 4-18 : Đồ thị T-s chu trình Máy lạnh dùng hơi có máy nén I. máy nén; II. Bình ngưng tụ; III. Van tiết lưu; IV. buồng làm lạnh. *. Các quá trình của chu trình: 1-2: quá trình nén đoạn nhiệt trong máy nén. 2-3: quá trình ngưng tụ ở P2 không đổi, nhả nhiệt q1 trong bình ngưng. 3-4: quá trình tiết lưu trong van tiết lưu. 4-1: quá trình bốc hơi trong dàn bốc hơi của buồng lạnh, môi chất nhận nhiệt q2 ở p1 không đổi. Hệ số làm lạnh của chu trình: 21 2 0 2 qq q l q   Ở đây công của chu trình 210 qql  bằng diện tích hình 123ab4. Hệ số bơm nhiệt của chu trình: 1  Năng suất lạnh của máy lạnh Q0: Q0 = Gq2 ; W hoặc kcal/h. Công suất của máy nén N: N = G 0l Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 83 G – Lưu lượng của môi chất trong chu trình (kg/s) Hiệu suất của chu trình ct : t qv v r ct l e e e ,0  b. Chu trình máy lạnh hấp thụ Trong máy lạnh hấp thụ phải dùng một cặp môi chất: ví dụ chất tải lạnh NH3 và chất hấp thụ H2O. Để có thể tách được hơi của chất tải lạnh khỏi chất hấp thụ, ở cùng áp suất, nhiệt độ sôi của chất tải lạnh ts NH3 phải càng nhỏ hơn nhiệt độ sôi của chất hấp thụ ts H2O càng tốt. *. Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ. Chu trình máy lạnh hấp thụ dùng cặp môi chất NH3- H2O. Ở đây nhiệt độ sôi của NH3 nhỏ hơn nhiệt độ sôi của H2O (ở cùng áp suất) rất nhiều: ví dụ khi p = 6bar; 3sNHt = 100C; OsHt 2 = 1590C. Ta phải cấp nhiệt qc cho chu trình IV (nhiệt có thể lấytừ hơi nước, than, năng lượng mặt trời). Áp suất p2 do nhiệt độ sôi của NH3 nhỏ hơn của H2O nhiều nên NH3 bốc thành hơi bão hòa ở P2 và đi vào bình ngưng. Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ Hơi NH3 đi vào bình ngưng VI và ngưng tụ ở áp suất p2 = const, nhả nhiệt q1 cho nước hoặc không khí làm mát, biến thành chất lỏng. Chất lỏng NH3 ở áp suất p2 và nhiệt độ sôi tương ứng ts2, qua van tiết lưu VII biến thành hơi bão hòa ẩm ở áp suất p1 và nhiệt độ sôi ts1 nhỏ hơn đi vào buồng lạnh I. Để đánh giá độ hoàn thiệncủa chu trình máy lạnh hấp thụ thuận nghịch, ta sử dụng đại lượng gọi là hệ số nhiệt , đây là tỷ số giữa nhiệt hữu ích q2 trong buồng lạnh với nhiệt cấp qc và công lB:  = Bc lq q  2 Thực tế công bơm lB rất nhỏ so với qc nên có thể bỏ qua và ta có:  = cq q2 Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 84 Để đánh giá chu trình máy lạnh hấp thụ thực (không thuận nghịch), ta sử dụng phương pháp phân tích execgi theo chiều thuận. Hiệu suất execgi: lq q Bq q V r e cc e e le e e e 22    (a) eq2 là execgi của nhiệt q2 của vật cần làm lạnh ở nhiệt độ Tv (nhiệt độ môi trường), được xác định theo biểu thức: eq = q        T T01 ; J/kg               11 02 0 22 VV q T T q T T qe (b) eqc là execgi của nhiệt cấp qc ở nhiệt độ nguồng cấp Tc, (Tc > T0)        C Cq T T qe C 01 (c) Khi lấy (c), (b) thế vào (a) ta có biểu thức hiệu suất execgi của chu trình máy lạnh hấp thụ nhiệt thực:                               C V C c V e T T T T T T q T T q 0 0 0 0 2 1 1 1 1  Ta nhận thấy, e tăng lên khi hệ số nhiệt  tăng. Nhiệt độ của vật cần làm lạnh Tv có giá trị nhỏ và nhiệt độ nguồn nhiệt cấp TCcó giá trị nhỏ. 4. Định nghĩa chu trình nhiệt động Ta biết rằng muốn biến nhiệt thành công trong các máy nhiệt phải dùng môi chất và cho môi chất giãn nở. Muốn nhận được công liên tục môi chất phải giãn nở liên tục. Nhưng môi chất không thể giãn nở mãi vì kích thước máy có hạn. Vì vậy muốn nhận được công liên tục sau khi giãn nở phải nén môi chất để trở về trạng thái ban đầu rồi tiếp tục giãn nở, nén lần thứ hai Môi chất thay đổi trạng thái một cách liên tục rồi lại trở về trạng thái ban đầu như vậy, ta nói rằng môi chất đã thực hiện một chu trình hay một quá trình khép kín. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 85 4.1. Công của chu trình. Công của chu trình là công của môi chất tác dụng tới môi trường hoặc ngược lại môi trường tác dụng tới môi chất khi môi chất tiến hành một chu trình Công của chu trình được ký hiệu L0 (J) hoặc l0 (j/kg) Biết rằng d(pv) = pdv + vdp và chu trình là một quá trình khép kín nên ta có: d(pv) = pdv + vdp Vì tích số (pv) là một hàm trạng thái nên: d(pv) = 0 và pdv = li; vdp = -lkti Ta có thể viết: 0 = li - lkti hay    n i kt n i i i ll 11 (a) li; lkti là công thay đổi thể tích, công kỹ thuật của quá trình thứ i trong n quá trình của chu trình. Mặt khác, nhìn toàn bộ thì chu trình là một hệ kín như đã nói, công ngoài (ở đây là công của chu trình) của hệ kín là công thay đổi thể tích, vậy công của chu trình là công thay đổi thể tích của môi chất khi thực hiện chu trình.    n i ill 1 0 (b) Kết hợp (a) và (b) công của chu trình đượcxác định bằng biểu thức:    n i kt n i i i lll 11 0 4.2. Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt Để dánh giá mức độ hoàn thiện của quá trình biến nhiệt năng thành công trong các chu trình động cơ nhiệt làm việc thuận chiêu, ngược chiều ta đưa ra đại lượng gọi là hiệu suất nhiệt t. t = 1 21 1 0 q qq q l   Giá trị hiệu suất nhỏ nhất là đối với động cơ phản lực (4%), sau đó là động cơ hơi nước chạy tàu hỏa (10%), động cơ tuabin hơi trong nhà máy nhiệt điện (40%) rồi đến động cơ tuabin khí và động cơ đốt trong (50%). Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 86 Để đánh giá mức độ hoàn thiện của quá trình biến chuyển năng lượng trong chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều, ta đưa ra đại lượng gọi là hệ số làm lạnh ε và hệ số bơm nhiệt φ như sau: 21 2 0 2 qq q l q   21 1 0 1 qq q l q   Giá trị của ε, φ càng lớn càng tốt. Giá trị ε có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn 1, còn φ bao giờ cũng lớn hơn1. Từ biểu thức trên ta có thể viết: 1 0 02 0 1     l lq q q 4.3. Hiệu suất execgi Phương pháp này dựa trên phương trình cân bằng execgi. Đây là phương pháp hoàn hảo để phân tích các quá trình thực hoặc chu trình thực,vì nó cho ta biết số lượng và nơi gây ra tổn thất execgi (khả năng sinh công). Tùy theo chiều tiến hành cân bằng execgi, ta có: cân bằng thuận (gọi là phương pháp phân tích execgi), cân bằng ngược (gọi là phương pháp entrôpi). Phương pháp cân bằng thuận, hiệu suất execgi được định nghĩa: e = V r e e er là tổng execgi lấy ra trong một quá trình hoặc chu trình (hữu ích có thể dùng trong kỹ thuật). ev là tổng execgi đem vào trong một quá trình hoặc một chu trình. Phương pháp cân bằng ngược (phương pháp entrôpi) từ biểu thức e = V r e e ta có thể viết khi ký hiệu ∆et là tổng tổn thất execgi: ev = er + ∆et và er = ev - ∆et e = i V i V t V tv V r ee e e ee e e          111 πi = ∆eti là tổn thất execgi của quá trình thứ i. ωi = πi/ev là tổn thất tương đối của quá trình thứ i. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 87 Ở đây muốn tìm hiệu suất execgi ta phải tìm tổng tất cả tổn thất tương đối của các quá trình trong chu trình nhiệt. 4.4. Hiệu suất nhiệt của chu trình carnot. Ở điều kiện nhiệt độ nguồn nóng T1 = const và nguồn lạnh T2 = const, một chu trình làm việc sao cho đạt được hiệu suất nhiệt hoặc hệ số làm lạnh hay hệ số bơm nhiệt lớn nhất. Đó phải là chu trình thuận nghịch mà một trong những chu trình này do Carnot đề ra đầu tiên và gọi là chu trình Carnot. Chu trình Carnot gồm hai quá trình đẳng nhiệt (ab, cd) và hai quá trình đoạn nhiệt (bc, da) xen kẽ nhau. Hình 1.20 biểu diễn chu trình Carnot thuận nghịch thuận chiều. Từ biểu thức định nghĩa hiệu suất nhiệt: t = 1 21 1 0 q qq q l   ta có: Hình 4.20: Chu trình Carnot thuận nghịch thuận chiều q1 =qab = T1 (sb - sa) = T1∆s; q2 = T2 (sc - sd) = T2∆s Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot: tc = 1 2 1 21 1 21 1 T T T TT q qq     Ta nhận thấy: Hiệu suất của chu trình Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh mà không phụ thuộc vào tính chất của môi chất. Hiệu suất của chu trình Carnot bao giờ cũng nhỏ hơn 1. Vậy không thể biến toàn bộ nhiệt thành công mặc dù đó là trong chu trình thuận nghịch. Hiệu suất của chu trình Carnot tăng khi nhiệt độ nguồn nóng tăng, nhiệt độ nguồn lạnh giảm, nghĩa là hiệu số nhiệt độ càng lớn càng tốt. Hiệu suất của chu trình Carnot (thuận nghịch) sẽ lớn hơn hiệu suất nhiệt của chu trình không thuận nghịch khác, khi có cùng nhiệt độ nguồn nóng và cùng nhiệt độ nguồn lạnh. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 88 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Trình bày khái niệm cơ bản của chu trình nhiệt động? 2. Vẽ đồ thị và viết biểu thức của chu trình thuận chiều động cơ đốt trong và cấp nhiệt hỗn hợp? 3. Trình bày định nghĩa chu trình nhiệt động? Bài 2 SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT 1. Khái niệm và phân loại. 1.1. Khái niệm: Động cơ nhiệt là động cơ để biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. 1.2. Phân loại: - Theo dạng nhiên liệu được đốt cháy bên trong hoặc bên ngoài xilanh: + Động cơ đốt ngoài (máy hơi nước). + Động cơ đốt trong. - Theo dạng nhiên liệu dùng: + Động cơ xăng + Động cơ diezen + Động cơ chạy ga - Theo số hành trình của piston: + Động cơ hai kỳ + Động cơ bốn kỳ - Theo tính năng sử dụng: + Động cơ dùng piston nén + Động cơ tuabin khí + Động cơ phản lực: Động cơ máy bay Động cơ tên lửa Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 89 2. Cấu tạo và hoạt động của động cơ bốn kỳ. 2.1. Cấu tạo chung: Động cơ nhiệt cấu tạo gồm các bộ phận chính sau: Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền (thân máy, nắp máy, van nạp, van xả, xilanh, trục khuỷu, thanh truyền và nhóm piston...). Cơ cấu phân phối khí (trục cam, van nạp, van xả...) Hệ thống bôi trơn và hệ thống làm mát Hệ thống cung cấp nhiên liệu Hệ thống khởi động Hệ thống đánh lửa (dùng cho động cơ xăng). Hình 4-21: Sơ đồ cấu tạo động cơ xăng bốn kỳ 1. Trục khuỷu; 2. Thanh truyền; 3. Xilanh; 4. Piston; 5. Van nạp; 6. Buzi; 7. Van xả; 8. Các te Hình 4.22: Mô hình cắt bổ động cơ xăng bốn kỳ Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 90 2.2. Nguyên lý làm việc của động cơ xăng bốn kỳ: Các quá trình: hút, nén, nổ, xả: r-a : Quá trình hút a-c : Quá trình nén c-z-b’-b: Quá trình cháy - giãn nở - sinh công b-r: Quá trình xả 2.2.1. Quá trình nạp: Cửa nạp mở, cửa xả đóng. Trục khuỷu quay một nửa vòng thứ nhất (00 ÷ 1800) làm cho piston đi từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD). Hình 4-23: Đồ thị P-v động cơ xăng bốn kỳ Thể tích trong xi lanh tăng, làm cho áp suất trong xilanh giảm tạo ra sức hút và hút hỗn hợp khí (xăng + không khí) từ bên ngoài nạp vào trong xilanh động cơ. Áp suất trong quá trình nạp từ : (0,07 ÷ 0,09)Mpa hay (0,7 ÷ 0,9)kg/cm2 Nhiệt độ trong quá trình nạp từ : (700C ÷ 1200C) Trên đồ thị (P – v) quá trình nạp của động cơ được bắt đầu từ điểm r (ĐCT) và đến điểm a (ĐCD), điểm cuối của quá trình nạp (Pa). Áp suất khí sót trong buồng cháy là Pr, áp suất trên đường thải là Pth. Sự chênh lệch áp suất giữa khí sót và bên ngoài ống xả là ∆Pr. Áp suất của môi chất ở trước cửa xupáp nạp là ∆Pk. ∆Pk = Pk – Pa Ở động cơ không tăng áp Pk = P0, ở động cơ tăng áp Pk > P0. Động cơ tăng áp có Pa = (0,9 ÷ 0,96)Pk Động cơ không tăng áp có Pa = (0,86 ÷ 0,9)Pk 2.2.2. Quá trình nén: Cửa nạp và cửa xả đều được đóng kín. Trục khuỷu quay tiếp nửa vòng thứ nhất (1800 ÷ 3600) piston đi từ (ĐCD) lên (ĐCT). Thể tích trong xilanh giảm làm hỗn hợp khí trong xilanh bị nén lại đến một áp suất cao. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 91 Áp suất cuối quá trình nén từ (3,0 ÷ 5,0)Mpa Nhiệt độ cuối quá trình nén đạt từ (4000C ÷ 5000C) Quá trình nén thực tế của động cơ rất phức tạp. Giữa môi chất và thành xilanh luôn luôn có sự trao đổi nhiệt. Đầu quá trình nhiệt độ của môi chất thấp hơn nhiệt độ của thành xilanh còn cuối quá trình nén thì nhiệt độ lại cao hơn nhiệt độ ở thành xilanh. Nên cả quá trình nén thực là quá trình đa biến có chỉ số đa biến tức thời là n1’. Chỉ số này luôn giảm dần từ đầu tới cuối quá trình. Hình 4-24: Đồ thị P-v quá trình nén thực tế của động cơ 2.2.3. Quá trình cháy – giãn nở - sinh công: a. Quá trình cháy ở động cơ xăng: Bắt đầu từ khi buzi bật tia lửa điện sau đó màng lửa được tạo nên và lan truyền nhanh tốc độ tăng dần theo mọi hướng để đốt cháy hết hỗn hợp khí ở trong xilanh động cơ. Được biểu thị trên đồ thị P-φ. Quá trình được chia làm 3 thời kỳ: + Thời kỳ I: Bắt đầu từ điểm I buzi bật tia lửa điện đến điểm II là điểm có áp suất bắt đầu tăng lên đột ngột. Trong giai đoạn này áp suất trong xilanh tăng lên nhưng chưa cháy. Thời kỳ này nó phụ thuộc vào tính chất và nhiệt độ của hỗn hợp khí trước khi cháy, đồng thời còn phụ thuộc vào năng lượng của tia lửa điện do buzi tạo ra. + Thời kỳ II:(cháy nhanh) Hình 4-25: Đồ thị P-φ quá trình cháy của động cơ xăng Được thể hiện từ điểm II đến điểm III trên đồ thị (điểm III là điểm có áp suất cao nhất). Trong giai đoạn này ngọn lửa lan truyền với tốc độ tăng mãnh liệt. Hòa khí trong xilanh động cơ phản ứng ô xi hóa ngày một mãnh liệt nhả ra một lượng nhiệt lớn trong thể tích của xilanh, làm cho áp suất trong xilanh tăng nhanh. Đây là giai đoạn cháy chính trong quá trình cháy. Nó quyết định khả năng sinh công của động cơ. + Thời kỳ III: (cháy rớt) Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 92 Được xác định từ điểm III và kết thúc không rõ dàng, có khi kết thúc khi mở cửa xả. Hiện tượng cháy rớt xảy ra khi hòa khí trong xilanh phân bố không đều, có khu vực nhiên liệu cháy không hết nên thừa nhiên liệu còn khu vực cháy thiếu nhiên liệu thừa ô xi chúng xẽ hòa trộn với nhau và tiếp tục cháy tạo nên cháy rớt. Thời kỳ này thường ngắn, nhiệt độ tỏa ra ít, trong khi thể tích trong xilanh tăng nhanh nên áp suất giảm. b. Quá trình cháy trong động cơ diêzen: Hòa khí được hình thành ngay trong buồng cháy của động cơ. Thời gian hình thành hòa khí ngắn nên thường các khu vực trong xilanh hòa khí không đều nhau. Động cơ diêzen có bốn thời kỳ cháy: + Thời kỳ I (cháy trễ): Bắt đầu từ điểm 1 kết thúc ở điểm 2. Điểm 1 là bắt đầu phun nhiên liệu trong xilanh. Điểm 2 là điểm phát hỏa, đặc điểm là tốc độ phản ứng tương đối chậm, tốc độ nhả nhiệt thấp. Nhiên liệu vẫn tiếp tục được phun vào trong xilanh của động cơ. cuối thời kỳ này nhiên liệu phun vào trong xilanh chiếm (30 ÷ 40)% lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình. Trong thời kỳ này nhiên liệu phun vào trong xilanh chuẩn bị cho phản ứng hóa học: Xấy nóng, bay hơi, khuyếch tán... vì vậy có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy. + Thời kỳ 2 (cháy nhanh) Bắt đầu được tính từ lúc phát hỏa ở điểm 2 đến điểm 3 của thời kỳ này là: - Nguồn lửa được hình thành và tốc độ cháy tăng nhanh, mức độ tỏa nhiệt mạnh. Đến cuối thời kỳ 2 lượng nhiệt bốc cháy chiếm 1/3 lượng nhiên liệu phun vào cấp cho chu trình. - Nhiệt độ và áp suất tăng nhanh (P = 6 ÷ 9)MN/m2. Hình 4-26: Đồ thị P-φ quá trình cháy của động cơ diêzen - Nhiên liệu vẫn tiếp tục phun vào trong buồng cháy làm tăng nồng độ của nhiên liệu trong xilanh. + Thời kỳ 3 (cháy chậm) Bắt đầu từ điểm 3 và kết thúc là điểm 4 (điểm có nhiệt độ cao nhất trong xilanh) đặc điểm của thời kỳ này là: - Quá trình cháy vẫn tiếp diễn với tốc độ cháy lớn, cuối thời kỳ này nhiệt độ nhả nhiệt chiếm (70 ÷ 80)% lượng nhiệt cấp cho chu trình. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 93 - Kết thúc phun nhiên liệu vào trong xilanh động cơ. Sản vật cháy tăng nhanh, nồng độ của nhiên liệu và ô xy đều giảm. - Nhiệt độ trong thời kỳ này đạt đến giá trị cao nhất (700 ÷ 2000)0C. Piston bắt đầu đi xuống, thể tích trong xilanh tăng lên do đó áp suất giảm xuống. Đầu thời kỳ tốc độ cháy lớn nhưng cuối thời kỳ tốc độ cháy giảm. + Thời kỳ 4 (cháy rớt) Bắt đầu ở điểm 4 và kết thúc ở điểm 5. Điểm 5 không xác định được rõ ràng, nó thường phụ thuộc vào chất lượng hòa khí trong xilanh của động cơ, nó có thể kéo dài cho tới khi mở cửa xả. Đặc điểm của thời kỳ này là: - Khi đến cuối thời kỳ lượng nhiệt nhả ra chiếm khoảng (95 ÷ 97)% lượng nhiệt cấp cho chu trình. - Tốc độ cháy giảm dần cho tới kết thúc cháy, do đó tốc độ nhả nhiệt giảm dần cho tới 0. - Thể tích trong xilanh tăng dần, nhiệt độ hạ xuống nên áp suất cũng hạ xuống thấp nhất. c. Quá trình giãn nở: Cửa nạp và cửa xả đều đóng kín. Đầu kỳ, vòi phun cao áp phun nhiên liệu có áp suất cao từ (10 ÷ 30)Mpa vào buồng cháy hòa trộn với không khí nén và tự bốc cháy tạo ra nhiệt độ và áp suất cao. Áp suất đầu quá trình cháy từ (5,0 ÷ 9,0)Mpa. Nhiệt độ đầu quá trình cháy từ (1800 ÷ 2000)0C Áp suất cao đẩy piston đi từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới làm cho trục khuỷu quay một nửa vòng thứ hai từ (3600 ÷ 5400) Khác với chu trình lý tưởng trong quá trình giãn nở có sự trao đổi nhiệt. Quá trình giãn nở thực tế là một quá trình đa biến với trị số tức thời của chỉ số đa biến là n’2. Tăng dần suốt từ đầu đến cuối quá trình. Khi tính toán người ta thường lấy chỉ số đa biến trung bình là : n2. n2 = 2 '' 22 bz nn  2.2.4. Quá trình thải. Cửa nạp đóng, cửa xả mở. Khí cháy có nhiệt độ và áp suất cao thoát ra ngoài. Trục quay tiếp hết vòng thứ hai từ (5400 ÷ 7200). Piston đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên và đẩy hết sản phẩm cháy ra ngoài. Áp suất cuối quá trình xả từ (0,11 ÷ 0,12)Mpa Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 94 Nhiệt độ cuối quá trình xả từ (700 ÷ 800)0C Như vậy chu trình động cơ bốn kỳ, trục khuỷu phải quay 2 vòng, piston chuyển động bốn hành trình, trong đó có một hành trình sinh công để làm cho trục khuỷu quay. Bốn quá trình xảy ra như sau: Quá trình nạp đoạn nhiệt môi chất. Quá trình nén đoạn nhiệt môi chất. Quá trình cấp nhiệt q1 và giãn nở của môi chất. Quá trình nhả nhiệt đẳng tích q2 của môi chất. *Cân bằng nhiệt động cơ. Phương trình cân bằng nhiệt: Q0 = Qe + Qmát + Qthải + Qdầu = Qcl + Qcc Trong đó: Q0 là tổng lượng nhiệt cấp cho động cơ tại chế độ làm việc của động cơ. Qe là lượng nhiệt tương ứng với công có ích của động cơ. Qmát là lượng nhiệt đem theo nước làm mát. Qthải là lượng nhiệt vật lý đem theo khí thải. Qdầu là lượng nhiệt đem dầu bôi trơn. Qcl là lượng nhiệt còn lại tương đương với lượng nhiệt khí thải. Qcc là lượng nhiệt mất mát đem theo nhiên liệu chưa cháy. 3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ hai kỳ, 3.1. Sơ đồ cấu tạo của động cơ hai kỳ: Hình 4-27: Sơ đồ cấu tạo động cơ xăng 2 kỳ 1. Bugi, 2. Piston, 3. Cửa xả, 4. Bộ chế hoà khí, 5. Cửa hút, 6. Các te, Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 95 7. Đường thông, 8. Buồng cháy, 9. Cửa xả, 10. Thân máy. 3.2. Nguyên lý làm việc của động cơ hai kỳ. 3.2.1. Kỳ 1: Hút, nén (hình4.27. a) : Trục khuỷu quay từ 00  1800 nửa vòng thứ nhất, piston đi từ ĐCD đến ĐCT, thể tích phía trên piston giảm dần, khi cửa thổi 7 và cửa xả được piston đóng kín hỗn hợp nhiên liệu trong xilanh bị nén áp suất và nhiệt độ tăng lên. Gần cuối quá trình nén bugi đánh lửa sớm hỗn hợp nhiên liệu bắt đầu bốc cháy. Đồng thời khi piston đi lên thể tích xilanh phía dưới piston và hộp trục khuỷu tăng, áp suất giảm hỗn hợp nhiên liệu từ bộ chế hòa khí 4 theo cửa nạp 5 vào chứa đầy hộp trục khuỷu. Như vậy ở hành trình thứ nhất bao gồm các quá trình: nạp khí nạp mới, nén hỗn hợp nhiên liệu và bắt đầu quá trình cháy. 3.2.2. Kỳ 2 : Sinh công và thay khí (hình 4.27: b). Hình 4-28: Pha phân phối khí động cơ hai kỳ quét vòng Sau khi cháy áp suất và nhiệt độ môi chất tăng nhanh đẩy piston từ ĐCT xuống ĐCD sinh công làm trục khuỷu quay nửa vòng thứ hai. Trong quá trình đi xuống (hình 4.27: c) lúc đầu piston đóng cửa hút 5 để nén hoà khí đã được hút vào các te 6, sau đó piston tiếp tục mở cửa xả 3 để cho sản phẩm cháy được thoát ra đường thải, tiếp theo mở đường thông 7 (cửa quét) giúp hoà khí được nén trong các te 6 đi vào xilanh quét sản phẩm cháy còn lại đẩy ra đường ống thải, đồng thời hoà khí này chiếm chỗ trong xilanh thực hiện quá trình thay đổi môi chất.Trục khuỷu quay tiếp trong xilanh lặp lại một chu trình mới. Như vậy ở hành trình thứ 2 bao gồm : cháy giãn nở sinh công, xả khí cháy, quét xilanh và nạp khí nạp mới. 0-4’ vị trí đóng cửa quét ; 0-3’ vị trí đóng cửa thải ; 0-1’ vị trí bật tia lửa điện hoặc phun nhiên liệu ; 0-1 vị trí điểm chết trên ;0-3 vị trí mở cửa xả ; 0-4 vị trí mở cửa quét . Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 96 3.3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc động cơ điêzen hai kỳ 3.3.1. Sơ đồ cấu tạo : Hình 4-29: Sơ đồ cấu tạo động cơ điêzen hai kỳ 1- ống hút; 2- bơm quét khí; 3-pit tông; 4- xupáp xả; 5- vòi phun; 6- ống thải; 7- không gian chứa khí quét; 8- cửa quét . 3.3.2. Nguyên lý làm việc : a. Kỳ 1 : giãn nở: Tương ứng với hành trình của piston từ ĐCT xuống ĐCD, trong xilanh vừa mới thực hiện quá trình cháy, tiếp theo môi chất đẩy píston giãn nở sinh công. Trước khi píston mở cửa quét thì xupáp xả được mở, sản vật cháy thoát qua xupáp làm áp suất giảm nhanh. Piston mở cửa quét áp suất trong xilanh lúc đó xấp xỉ bằng áp suất Pk của khí quét, sau đó áp suất trong xilanh tiếp tục giảm nhanh nên khí quét đi vào tronh xilanh đẩy sản vật cháy chạy tiếp ra ống thải đồng thời chiếm chỗ, nạp đầy xilanh, đó là quá trình thay đổi môi chất Như vậy trong kỳ một xilanh thực hiện các quá trình cháy của nhiên lịêu và nhả nhiệt cấp cho môi chất, giãn nở sinh công của môi chất, xả sản vật cháy, quét khí và nạp đầy không khí mới . b. Kỳ 2: Nén. Tương ứng với hành trình píston từ ĐCD lên ĐCT. Đầu kỳ 2 tiếp tục quét khí và nạp đầy không khí mới vào xilanh. Thời kỳ đóng kín của quét và xupáp xả quyết định thời điểm kết thúc thời kỳ thay đổi môi chất. Cửa quét có thể đóng đồng thời hoặc muộn hơn so với xupáp xả, tiếp theo là quá trình nén. Cuối kỳ nén trước khi píston đến ĐCT (trước ĐCT khoảng 100→ 300 ) góc quay trục khuỷu) nhiên liệu được phun qua vòi phun 5 vào buồng cháy, chuẩn bị cho kỳ cháy giãn nở. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 97 Thời gian của kỳ 2, trong xilanh đã thực hiện: kết thúc các quá trình thải, quét và nạp đầy môi chất mới vào xilanh ở đầu kỳ 2, sau đó thực hiện quá trình nén. 4. So sánh ưu nhược điểm giữa động cơ bốn kỳ và động cơ hai kỳ : 4.1. Ưu điểm : - Động cơ hai kỳ có số hành trình sinh công gấp hai lần (khi có cùng số vòng quay) và công suất lớn hơn khoảng 50 → 70% (khi cùng dung tích làm việc và số vòng quay) so với động cơ bốn kỳ. - Động cơ hai kỳ chạy đều và êm hơn động cơ bốn kỳ, vì mỗi vòng quay của trục khuỷu có một hành trình sinh công. Do đó, với các điều kiện như nhau (hành trình piston, đường kính xilanh, số xilanh và tốc độ quay). Vì vậy, ở động cơ hai kỳ có thể dùng bánh đà lắp ở trục khuỷu có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn so với động cơ 4 kỳ . - Động cơ hai kỳ không có xupáp cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng hơn động cơ 4 kỳ. 4.2. Nhược điểm : - Hiệu suất của động cơ hai kỳ nhỏ hơn động cơ 4 kỳ do đó sự tổn thất nhiên liệu trong quá trình thay khí. - Nhiệt độ của động cơ trong quá trình làm việc của động cơ hai kỳ cao hơn động cơ 4 kỳ, do số lần sinh công nhiều hơn, làm cho động cơ bị nóng, đặc biệt đối với động cơ diezen hai kỳ dễ bị bám muội than ở buồng cháy. - Trong động cơ xăng hai kỳ, nếu dùng các te chứa dầu bôi trơn đồng thời để thổi khí thì đễ làm hỏng dầu bôi trơn Căn cứ vào những nhược điểm trên động cơ xăng hai kỳ thường được dùng ở động cơ có công suất nhỏ. Ví dụ như động cơ phụ để khởi động động cơ diezen có công suất lớn, một số mô tô, xe máy còn ở động cơ diezen 2 kỳ lại được dùng nhiều ở động cơ có công suất trung bình và động cơ có công suất lớn. Ví dụ như động cơ tầu thuỷ. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 98 5. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của động cơ tuốc bin khí 5.1. Sơ đồ cấu tạo: Hình 4.30: Sơ đồ làm việc của tuabin khí I. Máy nén; II. Bơm nhiên liệu; III. Buồng đốt; IV. Ống tăng tốc;V. Tuabin; VI. Máy phát điện 5.2. Nguyên tắc hoạt động: Không khí được nén đoạn nhiệt trong máy nén khí I. Phần lớn được đưa vào buồng đốt III, một phần nhỏ được đưa ra phía sau buồng đốt để hòa trộn với sản phẩm cháy nhằm làm giảm nhiệt độ của sản phẩm cháy trước khi vào tuốcbin. Nhiên liệu được bơm hoặc máy nén II đưa vào buồng đốt III. Nhiên liệu và không khí được tạo thành hỗn hợp cháy và cháy trong buồng đốt III. Sản phẩm cháy có áp suất và nhiệt độ cao (khoảng 13000C  15000C) được hòa trộn với không khí trích từ máy nén tạo thành hỗn hợp có nhiệt độ khoảng 9000C  11000C sau đó sản phẩm cháy được đưa qua ống tăng tốc IV, tốc độ sẽ tăng lên và đi vào tuốcbin biến động năng thành cơ năng trên cánh tuốcbin làm quay tuốcbin kéo máy phát quay theo. Sản phẩm cháy sau khi ra khỏi tuốcbin được thải ra môi trường. 6. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của động cơ máy bay có máy nén 6.1. Sơ đồ cấu tạo. Hình 4-31: Sơ đồ cấu tạo động cơ máy bay phản lực có máy nén A. Ống tăng áp; B. Máy nén (ly tâm hoặc hướng trục); C. Vòi phun nhiên liệu; D. Buồng đốt (thực hiện quá trình đẳng áp); E. Tuốcbin khí; F. Ống tăng tốc Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 99 6.2. Nguyên tắc hoạt động: Việc tăng áp suất ở động cơ máy bay một phần vẫn nhờ ống tăng áp nhưng phần chủ yếu nhờ máy nén. Quá trình cháy ở đây là quá trình cháy đẳng áp. Động cơ máy bay ngày nay thường được chế tạo theo loại này. Chu trình gồm có các quá trình sau: + 1-a: quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong ống tăng áp. + a-2: quá trình nén đoạn nhiệt trong máy nén. + 2-3: quá trình cấp nhiệt (cháy) đẳng áp trong buồng đốt. Nhiệt cấp cho chu trình là q1. + 3-b: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy trong tuabin khí, sinh công để chạy máy nén. + b-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm cháy trong ống tăng tốc. + 4-1: quá trình thải nhiệt (thải sản phẩm cháy) q2 đẳng áp cho môi trường. 7. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của động cơ tên lửa: 7.1. Sơ đồ cấu tạo: Hình 4-32: Sơ đồ cấu tạo động cơ tên lửa Hình 2-33: Đồ thị P-v chu trình động cơ tên lửa Động cơ tên lửa gồm các bộ phận chính sau: Bình chứa nhiên liệu lỏng A, bình chứa ô xy lỏng B, bơm nhiên liệu lỏng (vào buồng đốt) C, bơm ô xy lỏng (vào buồng đốt) D, buồng đốt (thực hiện quá trình cháy đẳng áp nhiên liệu) E, ống tăng tốc F. 7.2. Nguyên tắc hoạt động: Chu trình động cơ tên lửa gồm các quá trình sau: + 1-2 : quá trình nén đoạn nhiệt nhiên liệu và ô xy trong bơm (vì là chất lỏng nên có thể coi là quá trình nén đẳng tích). Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 100 + 2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng áp (cháy) trong buồng đốt. Nhiệt cấp cho chu trình là 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 (thải sản phẩm cháy) vào môi trường. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Trình bày khái niệm và phân loại động cơ nhiệt? 2. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ xăng bốn kỳ? 3. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ diezen bốn kỳ? 4. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ xăng hai kỳ? 5. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ diezen hai kỳ? 6. So sánh ưu nhược điểm giữa động cơ xăng và động cơ diezen? 7. So sánh ưu nhược điểm giữa động cơ bốn kỳ và động cơ hai kỳ? 8. Vẽ sơ đồ và trình bày nguyên lý hoạt động của động cơ tuốc bin khí? 9. Vẽ sơ đồ và trình bày nguyên lý hoạt động của động cơ tên lửa? BÀI TẬP CHƯƠNG 1 VÀ 2 1. Xác định thể tích riêng, khối lượng riêng của khí N2 ở điều kiện tiêu chuẩn và điều kiện có áp suất dư là0,2 at, nhiệt độ 1270C. Biết áp suất khí quyển 780 mm Hg ở 00C. Đáp án: V0 = 0,8 m 3/kg; ρ0 = 1,25 kg/m 3 V = 0,96 m3/kg; ρ = 1,04 kg/m3 2. Một bình có thể tích 0,5 m3 chứa không khí ở áp suất dư 2 bar, nhiệt độ 200C. lượng không khí cần thoát ra khỏi bình là bao nhiêu để áp suất trong bình có độ chân không 420 m m Hg trong điều kiện nhiệt độ trong bình xem như không đổi. Biết áp suất khí trời là768 mm Hg. Đáp án: G = 1,52 kg 3. Một bình thể tích 200 lít chứa 0,2 kg khí N2, áp suấtkhí quyển là 1 bar. a. Nếu nhiệt độ trong bình là 70C thì chỉ số chân không kế gắn trên nắp bình là bao nhiêu? b. Nếu nhiệt độ trong bình là 1270C thì chỉ số áp kế là bao nhiêu? Đáp án: a. pck =0,1686 bar b. pd = 0,1877 bar Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 101 4.Tìm nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp trung bình vànhiệt dung riêng thể tích đẳng tích trung bình từ 2000C ÷ 8000C của khí N2. Đáp án: Cptb = 1,1125 kJ/kg. 0K Cvtb = 1,0196 kJ/m 3.0K 5. Xác định các thông số i,v,u,t bằng bảng và đồ thị của l kg hơi nước ở áp suất 15 bar và x = 0,9. Đáp án: i = 2597 kJ/kg; v = 0,1186 m3/kg; u = 2419 kJ/kg; t = 198oC. 6. Xác định entanpi, thể tích, entrôpi, nội năng của 10 kg hơi nước có áp suất 10 bar, t = 300oC (sử dụng bảng và đồ thị) Đáp án: I = 30480 kJ; V = 2,578 m3 S = 71,16 kJ/oK; U = 27910 kJ. 7. Xác định entanpi và nhiệt độ của 1 kg NH3 có áp suất 0,7 MPa và entrôpi 6 kJ/kg.oK. Sử dụng đồ thị lgp-i. Đáp án: i = 1950 kJ/kg; t = 84oC. 8. 10 kg không khí ở nhiệt độ 27oC được đốt nóng ở áp suất không đổi đến nhiệt độ 127oC. Xác định nhiệt lượng, biến đổi antanpi, biến đổi nội năng, công thay đổi thể tích của quá trình đốt nóng không khí đó (coi không khí là khí 2 nguyên tử và có μ = 29 kg/kmol). Đáp án Qp = ∆I = 1010 kJ; ∆U = 271 kJ và L12 = 289 kJ. 9. 1 kg hơi nước ở áp suất 1 bar, nhiệt độ 20oC được đốt nóng đến 200oC trong điều kiện áp suất không đổi. Xác định nhiệt q2 biến nước sôi thành hơi bão hòa khô, nhiệt q3 biến hơi bão hòa khô thành hơi quá nhiệt và nhiệt q biến nước ở trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối. Đáp án: q1 = 333,7 kJ/kg; q2 = 2257,6 kJ/kg; q3 = 200 kJ/kg ; q = 2791,3 kJ/kg. 10. Biết phương trình tiêu chuẩn trao đổi nhiệt đối lưu của không khí chuyển động trong ống Nu = 0,021 Re0,5. Nếu tốc độ của không khí giảm đi 2 lần còn các điều kiện khác vẫn giữ nguyên thì lúc này hệ số tỏa nhiệt a2 sẽ là bao nhiêu so với a1. Đáp án: a2= 1 2 1  11. Tính tổn thất nhiệt bằng bức xạ của một ống thép có d = 50 mm dài l =8 m, nhiệt độ bề mặt tw1 = 250 oC, độ đen ε1 = 0,79. Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 102 a. Nếu ống đặt trong phòng rộng có nhiệt độ t1= 27 oC; b. Nếu ống đặt trong kính hẹp kích thước 0,2 m × 0,2m làm bằng gạch có ε2 = 0,93, nhiệt độ bề mặt kênh tw2= 27 oC. Đáp án: a) Q12 = 3760 W; b) Q12 = 3740W. 12. Trong một thiết bị trao đổi nhiệt vách ngăn, dòng chất lỏng nóng G1 = 0,0764 kg/s với Cp1 = 3 kJ/kg. oK, có nhiệt độ t’1= 120 oC; t’1 = 50 oC. Dòng chất lỏng lạnh là nước với G2= 0,278 kg/s, Cp2 = 4,18 kJ/kg. oK, t’2 =10 oC. Xác định diện tích bề mặt thiết bị khi bố trí dòng cùng chiều và ngược chiều, biết cả hai trường hợp hệ số truyền nhiệt k = 1161W/m2.oK. Đáp án: Fc = 0,24 m 2; Fn =0,22 m 2. BÀI TẬP CHƯƠNG 3 13. Xilanh có đường kính d = 400 mm chứa không khí có thể tích 0,08 m3, áp suất 3,06 at, nhiệt độ 15oC. Nếu không khí nhận nhiệt trong điều kiện pittông chưa kịp dịch chuyển và nhiệt độ không khí tăng tới 398oC. Hỏi lực tác dụng lên mặt piston và khối lượng không khí có trong xilanh là bao nhiêu? Đáp án: F = 8,77.104 N; G = 0,29 kg. 14. Người ta đốt nóng 1 kg không khí trong điều kiện áp suất không đổi 2 bar, từ nhiệt độ 20oC đến 110oC. Tính thể tích cuối, lượng nhiệt, công thay đổi thể tích, lượng thay đổi nội năng và entropi. Đáp án: v2 = 0,549 m 3/kg; q = 90,9 kJ/kg; ∆u = 64,8 kJ/kg; l12 = 26,1 kJ/kg; ∆s = 0,27 kJ/kg. oK 15. Khi nén đẳng nhiệt 1,3 kilomol khí hêli cần thải một lượng nhiệt 3500 kJ. Xác định thể tích đầu và cuối quá trình, áp suất cuối và công thay đổi thể tích của quá trình nén nếu quá trình được tiến hành ở nhiệt độ 30oC và áp suất 6 bar. Đáp án: v1 = 5,4 m 3; v2 = 1,874 m 3 P2 = 17,45 bar; L12 = - 3,5 kJ. 16. Không khí có thể tích 2,48 m3, nhiệt độ 15oC, áp suất 1 bar, khi bị nén đoạn nhiệt không khí nhận công thay thể tích 471 kJ. Xác định nhiệt đọ cuối, sự thay đổi nội năng và entanpi. Đáp án: t2 = 233 oC; ∆U = 471 kJ; ∆I = 659,4 kJ. 17. 1 kg không khí được nén đa biến n = 1,2 trong máy nén từ nhiệt độ 20oC áp suất 0,981 bar đến áp suất 7,845 bar. Xác định nhiệt độ không khí sau khi nén, Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 103 lượng biến đổi nội năng, lượng nhiệt cần làm mát, công giãn nở và công kỹ thuật của qua trình nén. Đáp án: t2 = 141 oC ;∆u = 87,2 kJ/kg; l12 = -174,4 kJ/kg; lkt12 = -209 kJ/kg. 18. 100 kg/s hơi nước ở p1 = 20 bar, t1 = 400 oC giãn nở đoạn nhiệt trong tuabin đến x2 = 0,95. Xác định áp suất cuối, thể tích cuối và công của tuabin. Đáp án: p2 = 0,8 bar; V2 = 200 m 3/s; Lr = 70 MW. 19. Một hỗn hợp khí H2 và O2. Thành phần khối lượng của H2 là 10%. Xác định hằng số chất khí, thể tích riêng của hỗn hợp ở điều kiện tiêu chuẩn (po = 760 mm Hg, to = 0 oC) Đáp án: R= 648,5 J/kg.oK; v = 1,747 m3/kg. 20. Xác định nhiệt độ của hỗn hợp khi cho dòng không khí thứ nhất có G1 = 120 kg/h; t1 = 500 oC hỗn hợp với dòng không khí thứ hai có G2 =210 kg/h, t2 = 200oC. Đáp án: t = 309oC. 21. Một bình kín chứa 10 kg khí O2 ở nhiệt độ 27 oC. Người ta nạp vào bình một dòng khí O2 ở 37 oC. Xác định nhiệt độ của hỗn hợp nếu biết lượng O2 sau khi nạp là 12 kg. Đáp án: t = 49oC. 22. Hơi nước ở p1 = 10 bar, t1 = 300 oC lưu động qua ống tăng tốc nhỏ dần vào môi trường trong hai trường hợp: a. Có áp suất p2 = 7 bar; b. Có áp suất p2 = 4 bar. Xác định tốc độ của dòng hơi tại cửa ra của ống tăng tốc trong hai trường hợp trên; cho βk= 0,55. Đáp án: a) ω0= 447m/s; b) ω2 = ωk = 510 m/s. 23. Không khí ở trạng thái đầu có nhiệt độ t1 = 20 oC, độ ẩm tương đối φ1 = 40% được đốt nóng tới t2= 80 oC rồi đưa vào buồng sấy. Sau khi sấy nhiệt độ giảm xuống còn t3 = 35 oC. Xác định độ chứa hơi và độ ẩm tương đối của không khí sau khi sấy, nhiệt cần thiết để bốc hơi 1kg nước trong vậy sấy. Đáp án: d3 = 24 g/kg; φ3 = 0,66 Q = 3400 kJ/kg. CHƯƠNG 4 Giáo trình Nhiệt kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 104 24. Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận chiều khi biết nhiệt độ của nguồn nóng t1 = 927 oC, nhiệt độ của nguồn lạnh t2 = 27 oC. Xác định hệ số là lạnh của chu trình Carnot ngược chiều khi biết nhiệt độ của nguồn nóng t1= 37 oC, nhiệt độ của nguồn lạnh t2 = -3 oC. Đáp án: ηtc= 75%; εC= 6,75. 25. Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp môi chất là không khí có Pmin = 0,9 bar, t1= 67 oC, Pmax= 45 bar; ε = 10, nhiệt nhận từ nguồn nóng 1090 kJ/kg. Tính nhiệt nhận trong quá trình đẳng tích, đẳng áp. Đáp án: qv = 609 kJ/kg; qp= 481 kJ/kg. 26. Một ống dẫn hơi bằng thép đường kính ống d2/d1 = 110/100 mm hệ số dẫn nhiệt λ1 = 55W/m. oK được bọc một lớp cách nhiệt có λ2 = 0,09 W/m. oK. Nhiệt độ mặt trong ống tw1= 200 oC, nhiệt độ mặt ngoài lớp cách nhiệt tw3 = 50 oC. Xác định bề dày lớp cách nhiệt δ2 để tổn thất nhiệt qua vách ống không vượt quá 300 W/m. Đáp án: δ2= 18,75 mm. 27. Xác định hệ số tỏa nhiệt và lượng hơi nhận được khi nước sôi trên bề mặt diện tích F= 5 m2. Biết nhiệt độ bề mặt vách tw = 156 oC, áp suất của hơi p = 4,5 bar. Đáp án: a= 12370W/m2.oK; G= 842 kg/h. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Tài liệu KỸ THUẬT NHIỆT – PGS-TS BÙI HẢI, PGS-TS TRẦN THẾ SƠN - NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT – HÀ NỘI 2008 2. PHẠM LÊ DÂN, ĐẶNG PHÚ QUỐC Cơ sở kỹ thuật nhiệt. NXB Đại học và giáo dục chuyên nghiệp Hà Nội – 1990 3. Bài tập kỹ thuật nhiệt Khoa Đại học tại chức Bách khoa, Hà Nội - 1990