Chương 3 Các chu trình nhiệt động ver 2 | Toán Cao Cấp | Trường Đại học Thủy Lợi

lOMoAR cPSD| 40651217 KỸTHUẬTNHIỆT
Giảng viên: TS. Nguyễn Thị Hằng Nga Email : nthnga@tlu.edu.vn 11/9/2022 lOMoARcPSD| 40651217 3.1. CHƯƠNG 3
CÁC CHU TRÌNH NHIỆTĐỘNG NỘI DUNG
3.1 Khái niệm cơ bản
3.2 Chu trình lý tưởng của ộng cơ ốt trong
3.3 Chu trình lý tưởng của các thiết bị lạnh KHÁI NIỆM CƠ BẢN 3
3.1 Chu trình nhiệt ộng 1.
Định nghĩa chu trình nhiệt ộng
Để biến nhiệt thành công trong các máy nhiệt phải dùng chất môi giới và cho chất môi giới giãn nở.
Muốn nhận ược công liên tục chất môi giới phải giãn nở liên tục. Nhưng chất môi giới không thể giãn
nở mãi vì kích thước máy có hạn.
Vì vậy muốn nhận ược công liên tục sau khi giãn nở người ta nén chất môi giới ể cho nó trở về trạng thái
ban ầu và tiếp tục giãn nở, nén lần thứ hai…
Chu trình nhiệt ộng là quá trình trong ó chất môi giới thay ổi trạng thái một cách liên tục rồi lại trở về trạng thái ban ầu. 11/9/2022 lOMoARcPSD| 40651217
3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 4 Q 2 Q 1 W= Q 1 - Q 2 Q 2 Q 2 Chu trình nhiệt ộng 5
2. Nguyên lý làm việc của ộng cơ nhiệt và máy lạnh (hoặc bơm nhiệt)
Động cơ nhiệt là máy nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều trong ó thực hiện việc biến ổi nhiệt thành công. Ví dụ:
Máy hơi nước, tuabin hơi, tuabin khí, ộng cơ ốt trong và ộng cơ phản lực là các ộng cơ nhiệt.
Nguyên lý làm việc của ộng cơ nhiệt: W0 → Q 1 Q 2
Chất môi giới nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng có nhiệt ộ T1
T1T2 giãn nở ể biến một phần nhiệt này thành công Wo.
Sau ó chất môi giới nhả phần nhiệt còn lại Q2 cho nguồn lạnh ở nhiệt
ộ T2 (nước làm mát, khí quyển). Ta có: Q1 – |Q2| = Wo ; Wo < Q1 11/9/2022 lOMoARcPSD| 40651217 3.1.
3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 6
Nguyên lý làm việc của máy lạnh và bơm nhiệt:
Máy lạnh và bơm nhiệt là máy nhiệt làm việc theo chu trình
ngược chiều trong ó tiêu hao công Wo ể chất môi giới nhận W0 nhiệt Q2 từ nguồn lạnh có
nhiệt ộ T2rồi truyền lượng nhiệt Q 1 Q 2
Q2 cùng với công Wo cho nguồn nóng có nhiệt ộ T1 . T1T2 Ta có: |Q1| = Q2 + |Wo|
+ Máy lạnh sử dụng nhiệt Q2 ể làm lạnh các vật.
+ Bơm nhiệt sử dụng nhiệt Q1 ể sưởi, sấy các vật. 11/9/2022 lOMoARcPSD| 40651217
3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 7
3. Công của chu trình
Công của chu trình là công của chất môi giới tác dụng tới môi trường khi chất môi giới thực hiện một chu trình.
Ký hiệu: Wo (J) hoặc wo (J/kg).
Vì d(pv) = pdv + vdp, chu trình là 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 wi ; vdp=− − vdp=− wkt i = Vậy ta có thể viết: 0 w − = i wkt suy ra w w (2.49) i i kti
3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 8
Mặt khác, ta nhận thấy nhìn về toàn bộ thì chu trình là một hệ kín mà công ngoài của hệ kín là
công thay ổi thể tích công của chu trình là công thay ổi thể tích và ta có: n w = 0 wi (2.50) i 1=
Kết hợp (2.49) và (2.50), công của chu trình ược tính bằng biểu thức: n n W = = 0 wi wkt (2.51) i i 1= i 1= 9
- Công của chu trình tính theo nhiệt:
+ Từ PT Định luật I: dq=du+dw ෍𝑞
+ Đối với chu trình ta có thể viết: (2.52)
Trong ó: Vì u là hàm trạng thái Vì w là hàm trạng thái 𝑖
Là tổng ạo số của các quy trình trong chu trình n 11/9/2022 lOMoARcPSD| 40651217
3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN Vậy ta có: (2.52’) w = 0 qi i 1=
3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 10 - Đối với ộng cơ nhiệt: Nên w 0o
q1>0, q2<0, nên biểu thưc 2.52’ có dạng w q q = − Vì o 1 2 q1 q2
- Đối với chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt: q q Nên 1 2 w 0o
q1<0, q2>0, nên biểu thưc 2.52’ có dạng w q q = − hay = − Vì o 2 1 wo q q1 2 11
4. Hiệu suất nhiệt, hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt -
Hiệu suất nhiệt η : Là ại lượng ể ánh giá mức ộ hoàn thiện của quá trình biến nhiệt thành
công trong các chu trình ộng cơ nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều. = = − t w0 q q1 2 q1 q1 (2.53) -
Hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt : Là ại lượng ể ánh giá mức ộ hoàn thiện của
quá trình biến chuyển năng lượng trong chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều. = q = − 2 q2 (2.54) w0 q q1 2 = q = − 1 q1 w0 q q1 2 (2.55)
3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 12
5. Hiệu suất của chu trình Carnot
Chu trình Carnot gồm 2 quá trình ẳng nhiệt và 2 quá trình oạn nhiệt. Nhiệt ộ ở 2 nguồn nhiệt không ổi
T1= const (nguồn nóng) T2=const (nguồn lạnh).
Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot thuận chiều: = − C T T1 2 T1
Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot ngược chiều: =C T2 Nhận xét: T T − 1 2
- Hiệu suất phụ thuộc vào nhiệt
ộ nguồn nhiệt, không phụ thuộc vào tính chất của môi chất
- Hiệu suất tăng khi hiệu số của 2 nguồn nhiệt càng lớn lOMoARcPSD| 40651217 11/9/2022 3.2. CHU TRÌNH
LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 13
3.2.1. Khái niệm chung
Động cơ ốt trong là ộng cơ nhiệt có pit tông trong ó nhiên liệu cháy trực tiếp trong xy lanh của ộng cơ
và thực hiện quá trình biến ổi nhiệt năng thành cơ năng.
Khi nghiên cứu ể thuận tiện người ta ưa ra một số giả thiết :
+ Các tính chất vật lý của môi chất không thay ổi trong chu trình.
+ Các quá trình xảy ra ều là thuận nghịch, coi quá trình nén và giãn nở là quá trình oạn nhiệt.
+ Quá trình cháy thay bằng quá trình cấp nhiệt và quá trình thải sản phẩm cháy bằng quá trình nhả nhiệt ẳng tích.
3.2. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 14
 Phân loại theo nhiên liệu sử dụng :
+ Động cơ dùng nhiên liệu lỏng loại nhẹ – ộng cơ xăng.
+ Động cơ dùng nhiên liệu lỏng loại nặng – ộng cơ iêzen.
+ Động cơ dùng nhiên liệu khí – ộng cơ ga.
 Phân loại theo quá trình cấp nhiệt + Chu trình cấp nhiệt ẳng tích.
+ Chu trình cấp nhiệt ẳng áp.
+ Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. lOMoARcPSD| 40651217 11/9/2022 3.2. CHU TRÌNH
LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 15
Phân loại theo số kỳ ể thực hiện một chu trình: + Động cơ 4 kỳ. + Động cơ 2 kỳ.
→ Chu trình làm việc gồm 4 quá trình: Quá trình nạp Quá trình nén
Quá trình cháy và giãn nở Quá trình thải lOMoARcPSD| 40651217 11/9/2022 3.2. CHU TRÌNH
3.1. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 16
LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 17
Phân loại theo cách ốt cháy nhiên liệu :
+ Động cơ cháy cưỡng bức:
Việc hỗn hợp giữa nhiên liệu (xăng) và không khí ược thực hiện bên ngoài xy lanh. Sự cháy nhiên liệu nhờ tia lửa iện.
Đây chính là ộng cơ xăng và quá trình cháy là ẳng tích. + Động cơ tự cháy:
Việc hỗn hợp giữa nhiên liệu (dầu iêzen) với không khí thực hiện bên trong xy lanh. Nhiên liệu tự bốc
cháy ở cuối quá trình nén.
Đây là ộng cơ iêzen và quá trình cháy hoặc ẳng áp hoặc hỗn hợp.
Tuỳ theo việc ưa nhiên liệu vào xy lanh mà ta phân ra:
Động cơ iêzen cháy ẳng áp ( ưa nhiên liệu vào bằng không khí nén từ máy nén khí);
Động cơ iêzen cháy hỗn hợp ( ưa nhiên liệu vào dùng bơm cao áp và vòi phun, ộng cơ iêzen ngày nay
chế tạo theo loại này). lOMoARcPSD| 40651217 11/9/2022 3.2. CHU TRÌNH
3.1. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 18
Động cơ Diesel cháy do nén còn ộng cơ xăng cháy do ốt
LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 19
3.2.2. Chu trình lý tưởng của ộng cơ ốt trong cấp nhiệt ẳng tích
a. Đồ thị chu trình T p 3 3 v = const q 1 dq = 0 4 2 2 4 q 2 1 dq = 0 1 v = const v s
b. Mô tả các quá trình chu trình
+ 1-2: Quá trình nén oạn nhiệt
+ 2-3: Quá trình cấp nhiệt ẳng tích với nhiệt lượng cấp vào là q1
+ 3-4: Quá trình giãn nở oạn nhiệt
+ 4-1: Quá trình nhảnhiệt ẳng tích với nhiệt lượng nhả ra là q2 lOMoARcPSD| 40651217 11/9/2022 3.2. CHU TRÌNH
3.2. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 20 c. Các
ại lượng ặc trưng của chu trình
 Tỷ số nén (trong quá trình nén): = v (3.1) 1 = p3 v2 p2
 Tỷ số tăng áp (trong quá trìnhcấp nhiệt): (3.2)
 Nhiệt lượng cấp cho chu trình: (3.3) q − 1 = Cv(T3 T2)
 Nhiệt lượng nhả ra trong chu trình: (3.4) |q − 2| = Cv(T4 T1)
Hiệu suất của quá trình: (3.5) = − (( t 1 qq12 = −1 CCvv TT34 −−TT )) )) 21 = −1 ((TT34 −−TT21 lOMoARcPSD| 40651217 11/9/2022 3.2. CHU TRÌNH 21
Xét các quá trình ể tìm mối quan hệ nhiệt ộ: 11/9/2022 lOMoARcPSD| 40651217
3.2. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG t
+ Trong quá trình oạn nhiệt 1-2: − k 1 k 1− T 2 = v1 = k 1− T = k−1 2 T1 T v 1 2
+ Trong quá trình ẳng tích 2-3: 3.2. (3.6) T3 = p3 = T = = k 1− 3 T2 T1 T2 p2
+ Trong quá trình oạn nhiệt 3-4: (3.7) k 1− k 1− T 1 4 = v3 = v2 = = k 1 − T4 T1 T 3 v4 v1 (3.8)
Hiệu suất của chu trình là: 1 = −1 (3.9)
CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 22
Nhận xét: -
chỉ phụ thuộc vào số mũ oạn nhiệt k và tỷ số tăng áp . -
Vì k phụ thuộc vào bản chất của môi chất, nhưng k thay ổi ít khi thành phần nhiên liệu thay ổi →
hiệu suất nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào . -
Khi tăng → tăng → p và T cuối quá trình nén tăng → dễ gây ra hiện tượng kích nổ ảnh
hưởng xấu ến chế ộ làm việc bình thường của ộng cơ → có thể phá huỷ các bộ phận của ộng cơ.
thường lấy trong khoảng (8 12). -
Trong thực tế các quá trình của ộng cơ xăng tương ứng với chu trình cấp nhiệt ẳng tích.
LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG lOMoARcPSD| 40651217 11/9/2022 3.2. CHU TRÌNH 23
3.2.3. Chu trình lý tưởng của
ộng cơ ốt trong cấp nhiệt ẳng áp
a. Đồ thị chu trình p q 1 T 3 p = const 2 3 dq = 0 4 4 2 q 2 dq = 0 1 1 v= const v s
b. Mô tả các quá trình chu trình
+ 1-2: Quá trình nén oạn nhiệt
+ 2-3: Quá trình cấp nhiệt ẳng áp với nhiệt lượng cấp vào là q1
+ 3-4: Quá trình giãn nở oạn nhiệt
+ 4-1: Quá trình nhả nhiệt ẳng tích với nhiệt lượng nhả ra là q2
3.2. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 24
c. Các ại lượng ặc trưng của chu trình là:
 Tỷ số nén (trong quá trình nén): = v = (3.10) 1 v3 v2 v2
 Độ giãn nở sớm (trong quá trình cấp nhiệt): (3.11)
 Nhiệt lượng cấp cho chu trình: q − 1 = Cp(T3 T2) (3.12)
 Nhiệt lượng nhả ra trong chu trình: |q − 2| = Cv(T4 T1)
Hiệu suất nhiệt của chu trình: 11/9/2022 lOMoARcPSD| 40651217
3.2. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG (3.13) = − (( )) t 1 q2 = −1 C T Tv 34 −− 21 = −1 k T T((T T )) 43−− 12 q1 C T Tp (3.14) 25
Xét các quá trình ể tìm mối quan hệ nhiệt ộ:
+ Trong quá trình oạn nhiệt 1-2: k 1− T = k 1 (3.15) 2 = 1 = k 1 T2 T1 T 1 v2 v
+ Trong quá trình ẳng áp 2-3: − (3.16) − T3 = v3 = T = = k 1− 3 T2 T1 T2 v2 (3.17)
+ Trong quá trình oạn nhiệt 3-4: (3.18) T = 4 v3 k 1− = v3 .v2 k 1− = k 1k 1−− T4 = T 1 k T3 v4 v2 v1
Hiệu suất của chu trình là: = −1 −k1 . 1 t ) k( −1 k 1−
3.2. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 26 lOMoARcPSD| 40651217 11/9/2022 3.2. CHU TRÌNH
Nhận xét: -
Hiệu suất nhiệt của chu trình phụ thuộc vào k, , . -
Khi tỷ số nén tăng, ộ giãn nở sớm giảm thì tăng. -
Chu trình cấp nhiệt ẳng áp tương ứng với các quá trình của ộng cơ iêzen với việc phun nhiên liệu bằng không khí nén. 11/9/2022 lOMoARcPSD| 40651217
3.2. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 27
3.2.4. Chu trình lý tưởng của
ộng cơ ốt trong cấp nhiệt hỗn hợp
a. Đồ thị chu trình p ,, q T 1 p = const 4 3 4 v = const , dq = 0 q 1 3 5 2 5 2 q 2 dq = 0 1 1 v = const v s
b. Mô tả các quá trình chu trình
+ 1-2: Quá trình nén oạn nhiệt.
+ 2-3: Quá trình cấp nhiệt ẳng tích với nhiệt lượng cấp vào là q1’.
+ 3-4: Quá trình cấp nhiệt ẳng áp với nhiệt lượng cấp vào là q1’’.
+ 4-5: Quá trình giãn nở oạn nhiệt.
+ 5-1: Quá trình nhả nhiệt ẳng tích với nhiệt lượng nhả ra là q2.
3.2. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 28
c. Các ại lượng ặc trưng của chu trình 11/9/2022 lOMoARcPSD| 40651217
3.2. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG (3.19) q2
 Tỷ số nén (trong quá trình nén): = v1 Cv T5 v2 T1 29 (3.20)
 Tỷ số tăng áp (trong quá trình cấp nhiệt): = p3 Hiệu p2 suất nhiệt của (3.21) chu trình:
 Độ giãn nở sớm (trong quá trình cấp nhiệt): v4 = v3 (3.22)
Nhiệt lượng cấp cho chu trình: q ( ) (
1 = q1, + q1,, = Cv T3 −T2 + Cp T4 −T ) ( ) ( ) 3 q = − + −  1 Cv T3 T2 kCv T4 T3
Nhiệt lượng nhả ra trong chu (3.23) trình: = ( − )
= −t 1 q2 = −1 ( −T(2T)5+−k TT( ) ) 1 4 −T3 q1 T3
Xét các quá trình ể tìm mối quan hệ nhiệt ộ:
+ Trong quá trình oạn nhiệt 1-2: (3.24) k 1− T 2 = v1 = k 1− T = k 1− 2 T1 T 1 v2
+ Trong quá trình ẳng tích 2-3: (3.25) T3 = p3 = T = = k 1− 3 T2 T1 T2 p2
+ Trong quá trình ẳng áp 3 (3.26) -4:
T4 = v4 = T = T = T k 1− (3.27) 4 3 1 T3 v3